ANÁLISE DA PROPRIEDADE MECÂNICA DE TRAÇÃO EM PERFIS ESTRUTURAIS PULTRUDADOS EM FIBRA DE VIDRO E RESINA TERMOFIXA.

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1 ANÁLISE DA PROPRIEDADE MECÂNICA DE TRAÇÃO EM PERFIS ESTRUTURAIS PULTRUDADOS EM FIBRA DE VIDRO E RESINA TERMOFIXA. Guilherme Moreira Santos 1, Carlos Augusto Gomes 2, Francisco Kioshi Arakaki 3 1 Universidade do Vale do Paraíba/Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo, guilherme.moreira.santos@hotmail.com 2 Universidade do Vale do Paraíba / Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo, ceingeo@yahoo.com.br 3 Universidade do Vale do Paraíba / Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo, francisco.arakaki@embraer.com.br Resumo - Nas ultimas décadas os materiais compostos reforçados vem apresentando um grande destaque na indústria aeronáutica devido à baixa massa especifica e elevada rigidez. A construção civil com seu atual crescimento, necessita absorver também novas tecnologias construtivas e de materiais buscando estruturas mais leves e arrojadas. Como alternativa, surgem os perfis estruturais em materiais compostos concebidos pelo processo de pultrusão. Estes tiveram sua expansão no país devido à indústria petroquímica que se aproveita de seus recursos, usando-o em plataformas marítimas, navios e indústrias. O fato de se tratar de um material pouco conhecido e pouco utilizado no Brasil, onde poucos retêm o conhecimento a respeito de suas propriedades e de seu comportamento, é razoável que engenheiros e projetistas encontrem dificuldades em especificar, projetar e dimensionar usando materiais compostos em suas obras. Assim sendo, o presente trabalho visa caracterizar e analisar as propriedades mecânicas de dos perfis pultrudados a fim de tornar o seu comportamento, suas propriedades, seu processo e seus conceitos mais familiares aos olhos da engenharia civil. Palavras-chave: materiais compostos, perfis pultrudados, propriedades mecânicas. Área do Conhecimento: Introdução Com o aumento expressivo da utilização de compósitos pultrudados reforçados com fibra de vidro no Brasil, principalmente nas indústrias petroquímicas, torna se cada vez mais imperativo que tais materiais e seu comportamento sejam completamente conhecidos e caracterizados, assim sendo o estudo do comportamento, das características e aplicações possíveis torna-se necessário para sua expansão e para o aprimoramento de sua produção, que é responsável por conferirem determinadas propriedades mecânicas, físicas e químicas, afim de que a utilização de suas propriedades possa ser totalmente explorada e seus fatores de falha conhecidos e avaliados. A maioria das aplicações que emprega perfis pultrudados não requer de alto desempenho, mas com o crescimento potencial do mercado para materiais compostos em aplicações de engenharia, em substituição a materiais convencionais que fez com que as indústrias de pultrusão tivessem um aumento significativo no volume de material produzido. E como ainda não existe um completo entendimento do comportamento de compósitos pultrudados, temse hoje a necessidade de buscar explicações para o seu comportamento e fatores de falha [BARBOSA]. A importância de entendermos o comportamento dos compósitos pultrudados é intensificada por sua característica anisotrópica que influencia diretamente em sua resistência de acordo com o tipo de aplicação, e a busca por concepções estruturais com maior confiabilidade e otimização. Generalidades Os materiais compostos já eram usados na antiga Babilônia como tijolos reforçados com palha para redução das fissuras [CORREIA]. Os materiais compostos modernos em aplicações estruturais começaram sua expansão na década de 40 na indústria naval e aeroespacial, na década de 60 aparecem os materiais compostos avançados que deve sua expansão e aprimoramento à indústria de defesa. Os materiais compostos são materiais constituídos de duas ou mais fases combinadas numa escala macroscópica, cujo desempenho e propriedades para uma dada aplicação são superiores aos dos materiais constituintes agindo independentemente [ALMEIDA]. A principal aplicação de materiais compostos na construção civil se deve ao uso dos perfis pultrudados que é obtido pelo processo denominado de pultrusão. 1

2 Pultrusão A pultrusão é o processo usado para produzir perfis estruturais com seção transversal constante, onde fazendo uma analogia ao processo de extrusão de metais, os quais são materiais homogêneos aquecidos empurrados através do molde de seção transversal constante. Na verdade, a principal entre os dois processos consiste em que ambos produzem perfis com seção transversal constante, perfis retos e contínuos. Comparado com outras técnicas de fabricação, o processo de pultrusão é simples no conceito, mas complexo nos detalhes. O processo de pultrusão consiste, basicamente, na disposição de fibras contínuas (reforço), impregnadas em um banho de resina (matriz), que são puxadas continuamente através de um pré-molde que controla a quantidade de resina e um molde que estabelece a geometria da seção [BARBOSA], conforme apresentado na Figura 1. superfície provocados por abrasão mecânica ou ambientes agressivos. Tais interações podem introduzir falhas de superfície capazes de formar fissuras que podem conduzir a ruptura com baixos níveis de tensão. Finalmente, a matriz separa as fibras e, em virtude de sua relativa plasticidade, previne a propagação de fraturas frágeis de fibra para fibra que poderiam resultar em ruptura catastrófica. Em outras palavras, a matriz serve como uma barreira para propagação de fissuras, embora uma fratura completa não ocorra até que um número grande de fibras adjacentes tenha falhado e tenham formado um agrupamento de falha de tamanho crítico. As matrizes usadas em perfis pultrudados são aditivadas com cargas minerais que definem sua característica anti chama. As proporções da combinação entre o reforço e a matriz são feitos de modo a maximizar suas propriedades, basicamente o reforço ocupa de 60% a 80% da área da seção transversal. A maior contribuição para as propriedades mecânicas dos tais perfis é determinada pelos fios contínuos chamados de roving que é protegido em todo seu perímetro por camadas de mantas desorientadas que alem de proteger auxilia na resistência ao cisalhamento. Logo todo o perfil é envolvido por uma ultima camada de não tecido ou véu de superfície que da o acabamento final ao perfil e concentra uma quantidade maior de matriz protegendo as fibras do ambiente, conforme o modelo na Figura 2. Figura 1 Esquema do Processo de Pultrusão [ALMEIDA] Principais propriedades do reforço e da matriz A resistência do reforço de fibra de vidro é principalmente determinada pelo tipo, orientação, quantidade, e localização das fibras no interior da matriz. A resina une o reforço de fibras de vidro, sendo este o principal responsável pela rigidez da peça. A resina usada determina ainda a resistência à corrosão, à chama e temperatura máxima operacional, como também contribui significativamente para certas características de resistência, inclusive resistência ao impacto e resistência à fadiga. A matriz nos compósitos desempenha três funções muito importantes. Primeiro liga as fibras, sendo o meio pelo qual uma tensão externa aplicada é transmitida e distribuída às fibras. Só uma proporção muito pequena da carga aplicada é absorvida pela matriz. A segunda função da matriz é proteger as fibras individuais de danos de Figura 2 Esquema de um Perfil Pultrudado de Seção I [CORREIA] Os fatores de maior influência nas propriedades mecânicas dos perfis pultrudados são a velocidade do processo e de cura, a temperatura do molde, o fator reforço/matriz e seus aditivos. Os principais defeitos dos perfis pultrudados oriundos do processo são: Bolha - uma elevação arredondada em forma de bolha que pode ser superficial ou interna. Essas bolhas podem existir dentro do pultrudado como uma área de delaminação oca (normalmente 2

3 cheia de gás) debaixo de uma elevada camada superficial. Se essas bolhas forem de pequeno diâmetro são chamadas de poros, se forem de diâmetro maior são chamados de vazios. Trincas - uma separação visual que acontece internamente ou penetra abaixo da superfície de pultrudados. Pode provocar ruptura. Fissuras - múltiplas trincas em pultrudados. Podem ser finas como fios de cabelo e com formato de estrelas. Essas fissuras formam uma região de concentração de tensões, e podem ser superficiais ou penetrarem no reforço. Este defeito é bastante nocivo porque impedirá a matriz de transmitir normalmente os esforços à fibra. Delaminação - é a separação de duas ou mais camadas de material ou planos de reforço dentro de um pultrudado. Cura insuficiente - uma anormalidade de pultrusão criada por falta de cura, ou cura incompleta em uma seção da resina. Esta condição normalmente provoca redução na dureza e nas propriedades físicas. Seções espessas, curadas de fora para dentro, podem revelar cura insuficiente no centro da seção embora completamente curada na superfície. Esta condição pode ser causada por temperatura de cura insuficiente, catalisador impróprio, ou deslizamento muito rápido para a temperatura de cura. Uma das principais características dos perfis pultrudados, é a anisotropia devido suas características determinadas pelo processo, ou seja, com comportamento diferente para esforços perpendiculares e normais as fibras. Aplicações de perfis pultrudados na construção civil Os materiais compostos pultrudados levam vantagens sobre materiais convencionais como aço e alumínio, no que diz respeito a algumas propriedades, como o baixo peso, a resistência a corrosão, elevada relação entre a resistência mecânica e o peso próprio. E baixa condutividade elétrica [BARBOSA]. No entanto é possível apontar as seguintes dificuldades ou obstáculos na utilização de perfis pultrudados, face aos materiais tradicionais, como reduzido módulo de elasticidade, comportamento frágil, a necessidade de desenvolvimento de novas formas estruturais e sistemas de ligações, a ausência de normalização especifica e o custo inicial pouco competitivo na maior parte das aplicações [CORREA]. Mesmo assim os perfis estruturais pultrudados têm sido muito usados na construção civil, onde há a necessidade em função do ambiente altamente corrosivo ou do baixo peso de suas estruturas. As dificuldades e os obstáculos encontrados na utilização de tais perfis, hoje têm sido vencidos pela experiência e pelo conhecimento no comportamento dos pultrudados. Figura 3 Telhado tipo cúpula e passarela de aceso em uma ETA, Vila Moura Portugal [STEP] Figura 4 Telhado no Centro Comercial de Colombo, Colombo Portugal [STEP] Figura 5 - Estrutura em perfis pultrudados para telhado na PUC-RIO [Imagem cedida pela STRATUS]. 3

4 Ensaios mecânicos Tração A determinação das propriedades mecânicas de um material é feita por meio de ensaios normalizados adequados que depende da finalidade de emprego do material, dos esforços atuantes em que o material será sujeito e as características mecânicas que se deseja saber. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Ensaios destrutivo da CENIC Engenharia através de uma maquina de ensaio EMIC modelo DL10000 com certificado de calibração nº 220/08, emitido pela EMICem 25/02/08 com validade até 25/02/2010 e capacidade de 100kN. E os CDP,s utilizados foram fabricados com resina isoftálica aditivada com 40% de sua massa com carga mineral de alumina, camada de manta, a uma temperatura de 140 e a uma velocidade constante de 3metro/minuto. Os ensaios de tração, e os CDP s foram feitos conforme a norma ASTM. Para tração a ASTM D3039 Stantard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. Devido às características axiais oriundas do processo de pultrusão e as suas principais aplicações o ensaio de tração se torna o principal ensaio a ser realizado. O cálculo da resistência a tração utiliza se da seguinte equação (ASTM D3039). Onde: P L = L A E (2) E = módulo de elasticidade, (Mpa); P = Carga total, (kn); L = deslocamento do extensômetro, (mm); L = base medida do extensometro,(mm); A = área da seção trasnversal, (mm²); P = A σ (1) Onde: σ = tensão última de tração, (Mpa); P = carca máxima,(n); A = área da seção trasnversal, (mm²); Figura 7 Ensaio de tração [ASTM D3039]. As Tabelas I e II apresenta os resultados dos CDP's com camanda de O modulo de Young é uma das propriedades fundamentais para caracterização de materiais ortotrópicos, tais como compósitos pultrudados. Para compósitos o tratamento a ser feito é diferente ao dos ensaios para materiais isotrópicos, pois estes possuem módulo de tração e compressão iguais, já para compósitos não possuem o mesmo comportamento, dependendo do posicionamento das fibras. [SHIINO] O modulo de elasticidade é calculado levandose em conta a porção elástica da curva tensão x deformação, calcula-se o modulo de elasticidade com base na curva carga deformação e utilizandose a Equação 2 [ASTM D3039].. Tabela I - Dimensões e área dos CDP s com CDP t(mm) d(mm) A(mm²) 1 3,89 14,99 58,31 2 3,90 14,85 57,92 3 3,84 15,03 57,72 4 3,82 14,75 56,34 5 3,87 14,91 57,70 6 3,90 14,87 57,99 Média 3,87 14,90 57,66 Mín. 3,82 14,75 56,34 Máx. 3,90 15,03 58,31 4

5 Tabela II - Resultados do ensaio de tração com CDP Fmax(kN) σ Xmax (Mpa) E(Mpa) 1 21,26 364, , ,23 314, , ,46 302, , ,92 318, , ,51 234, , ,17 261, ,85 Média 17,26 299, ,09 Mín. 13,51 234, ,25 Máx. 21,26 364, ,25 Tabela III - Dimensões e área dos CDP s sem CDP t(mm) d(mm) A(mm²) 1 0,97 14,12 13,7 2 1,02 14,45 14,74 3 0,85 14,81 12,59 4 0,87 15,03 13,08 5 1,08 14,83 16,02 6 0,96 14,59 14,01 Média 0,958 14,638 14,023 Mín. 0,85 14,12 12,59 Máx. 1,08 15,03 16,02 Tabela IV - Resultados do ensaio de tração com CDP Fmax(kN) σ Xmax (Mpa) E(Mpa) 1 4,42 322, ,3 2 3,94 267, ,1 3 4,33 343, ,1 4 3,43 262, ,3 5 5,52 344, ,5 6 5,48 391, ,9 Média 4, , ,2 Mín. 3,43 262, ,5 Máx. 5,52 391, ,9 Figura 8 Ensaio de tração com Figura 10 Ensaio de tração sem Figura 9 Ensaio de tração com manta Falha por delaminação. As Tabelas III e IV apresenta os resultados dos CDP's sem camada de Resultados e discussões Com os pultrudados resistindo aos ensaios sem danos devido a falhas de processo foi possível atingir altos valores de tensão a tração com valor médio de tensão última igual a 299,26 MPa e um módulo de elasticidade médio de 21948,09 MPa, com uma desvio padrão, conforme a Equação 3, de 45,92 MPa na tensão de ruptura 5

6 para amostras com manta e um valor médio de tensão última de 321,97 MPa com módulo de elasticidade médio de 34714,2 MPa com um desvio padrão, conforme a Equação 3, de 45,34 MPa para amostras sem a ultima camada de ( xi x) i = n 1 s (3) Foi identificado nos pultrudados com manta que apresentam falhas, primeiro na camada de manta que cisalha na junção com a camada interna, ou seja, falha por delaminação tendo inicio próximo as tab s, conforme as Figuras 8 e 9. Observando o gráfico de tensão e de deformação gerado com os valores médios de tensão encontrados nos ensaios com CDP s com camada de manta, verificamos a deformação máxima de 0,3023mm, ou seja, 0,202% de variação. Também podemos verificar outra característica típica dos compostos que a falta do comportamento plástico, tendo sua tensão máxima de ruptura no final da fase elástica conforme Figura 11. Tensão ,0756 0,1511 0,2267 0,3023 Deformação Figura 11 Gráfico de Tensão e Deformação das amostras com camada de Para um maior entendimento do comportamento mecânico dos perfis pultrudados seria ideal uma análise nas propriedades de compressão, flexão, cisalhamento perpendicular e normal as fibras e ensaios em perfis mais robustos e mais espessos para obtermos uma verificação que leve em consideração a geometria dos perfis, a distribuição dos reforços na seção transversal que pode influenciar em suas propriedades em função de eventuais falhas de processo. Outra boa verificação a ser feita, seria uma análise das propriedades dos compostos pultrudados sem carga mineral, ignorando suas características anti chamas, mas maximizando suas propriedades mecânicas. 2 Conclusão Durante os ensaios verificou-se regularidade nos resultados sem falhas catastróficas representando confiabilidade e reprodutibilidade no produto e no processo. Foi identificado que os CDP s sem camada de manta atingem maiores tensões de ruptura. Os valores, do módulo de elasticidade, encontrados para o compósito pultrudados são mais baixos quando comparados aos valores de módulo de elasticidade de materiais isotrópicos, comportamento este associado à disposição e maleabilidade da fibra, tornando o compósito mais flexível em relação aos materiais metálicos. Agradecimentos À Deus por ter me dado graça e força e a minha família e amigos que muito tem me apoiado. À STRATUS Compostos Estruturais pelo apoio e fornecimento dos materiais ensaiados. À CENIC Engenharia pela utilização do laboratório de ensaios mecânicos. Referências - BARBOSA, S. C. Comportamento Mecânico e Análise dos Danos de Materiais Compósitos Obtidos Pelo Processo de Pultrusão. Instituto Tecnológico da Aeronáutica, CORREIA J.R. A Utilização de Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) na Construção. Instituto Superior Técnico, TORRES D.A.F. Simulação Numérica de Estruturas Reticuladas de Construção Civil Formadas por Materiais Compostos. Universidade Federal de Uberlândia ALMEIDA S.F.M. Teoria Estruturas de Materiais Compostos Instituto Tecnológico da Aeronáutica, MARTIM J.D., SUMERAK J.E. Putrusion 1988 Pultrusion Technology, Inc, STEP Site do fabricante Step - ASTM D3039 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. - SHIINO M.Y Caracterização de Compósitos NC2/RTM6 Produzidos por RTM para Aplicações Aeroespaciais