A utilização de fibra de vidro como reforço em Madeira Compensada

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1 Voltar MADEIRA arquitetura e engenharia nº 10 artigo 5 A utilização de fibra de vidro como reforço em Madeira Compensada Fabricio Moura Dias, Universidade de São Paulo, Interunidades em Ciência e Engenharia de Materiais, São Carlos, SP. fmdias@sc.usp.br Juliano Fiorelli, Universidade Estadual Paulista, Unidade Diferenciada de Dracena, Dracena, SP. fiorelli@dracena.unesp.br Francisco Antonio Rocco Lahr e Antonio Alves Dias, Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estruturas, Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeira, São Carlos, SP. frocco@sc.usp.br e dias@sc.usp.br Resumo: Nos painéis de madeira compensada, os valores das propriedades mecânicas na direção paralela são superiores aos da direção perpendicular à grã das lâminas externas. Com o objetivo de diminuir esta diferença, este trabalho apresenta um estudo teórico-experimental em madeira compensada reforçada com fibra de vidro. Foram manufaturados painéis com sete lâminas da espécie Eucalyptus grandis. Adicionou-se o tecido de fibra de vidro laminada com resina epóxi na última linha de cola. A eficiência dos painéis foi avaliada pelos ensaios físicomecânicos propostos pela Associação Brasileira de Normas Técnicas. Os resultados indicam um aumento significativo nas propriedades mecânicas dos painéis reforçados, com a conseqüente redução do índice de anisotropia. Palavras-chave: madeira compensada, fibra de vidro, propriedades físico-mecânicas. Abstract: In plywood panels, the mechanical properties values in parallel direction to the grain are above of perpendicular direction to external layers grain. Aim to reduce this difference, this work presents a theoretical-experimental study in plywood reinforced with glass fiber. The plywood was manufactured with seven layers of the Eucalyptus grandis wood. The glass fiber was glued with epoxy adhesive in the last glue line. The plywood s performance was evaluated based on the results of physical and mechanical tests recommended by the Brazilian code, ABNT.The results indicate a significant increase in the mechanical properties of the reinforced panels, with reduction of the anisotropy index. Keywords: plywood, glass fiber, physical-mechanics properties.

2 1. Introdução O uso da madeira compensada, ou compensados, na construção civil é difundido internacionalmente. Dentre as principais indicações se destacam a aplicação em formas para concreto armado e protendido, painéis estruturais e de vedação. No Brasil, as propriedades de resistência e rigidez dos compensados são determinadas segundo as recomendações dos documentos normativos da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). As propriedades físico-mecânicas analisadas nesta caracterização são: Massa específica aparente; Teor de umidade; Absorção de água; Inchamento; Módulos de resistência e elasticidade obtidos no ensaio de flexão estática; Resistência da colagem ao esforço de cisalhamento. No caso de flexão, é importante diferenciar os valores das propriedades mecânicas obtidas na direção paralela com os da direção perpendicular à grã das lâminas externas. Segundo Dias e Lahr (2002) (1) os compensados tradicionalmente utilizados apresentam diferenças significativas nos valores de propriedades de resistência e rigidez quando avaliadas nas suas diferentes direções. Os valores obtidos para a direção paralela são superiores aos da direção perpendicular à grã das lâminas externas. Stamato (1998) (2) apresentou a caracterização de diversos compensados comerciais utilizados pela indústria da construção civil e moveleira brasileira. Para todos os compensados avaliados, os valores das propriedades na direção paralela foram 30% a 50% superiores aos obtidos para a direção perpendicular à grã das lâminas externas. É constante a busca de soluções para diminuir a diferença entre os valores das propriedades nas diferentes direções da chapa de compensado e melhorar suas propriedades mecânicas. Estudos realizados no Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeira - SET/EESC/USP indicam a eficiência do reforço de fibras de vidro em vigas de madeira. Para estruturas de madeira serrada, a utilização de polímeros reforçados com fibras (PRF) é uma alternativa promissora para reforçar e recuperar elementos estruturais de madeira. Fiorelli e Dias (2002) (3) avaliaram o comportamento de vigas de madeira reforçados com fibra de vidro. Resultados obtidos indicaram um incremento significativo na resistência e na rigidez de peças reforçadas, chegando a valores até 60% superiores em comparação com vigas sem reforço. As propriedades físicas, mecânicas e químicas dos PRF são muito versáteis e podem ser um complemento para as propriedades ortotrópicas da madeira. Segundo Dagher (2000) (4) a utilização de PRF para reforço de elementos estruturais de madeira é uma alternativa promissora, pois se trata de um material resistente a corrosão, que proporciona boa economia e um pequeno aumento do peso próprio. Segundo o boletim da APA (1998) (5), a combinação de chapa de madeira compensada com PRF é vantajosa, pois origina um produto que possui as propriedades estruturais da madeira compensada (resistência à flexão, rigidez e estabilidade dimensional) e também as propriedades de resistência e durabilidade da fibra de vidro, resultando em um produto mais resistente e mais durável. No estudo apresentado por APA (5) o PRF foi aplicado externamente nas duas faces da chapa de madeira compensada. 2. Madeira compensada A chapa de madeira compensada é um produto obtido pela colagem de lâminas de madeira sobrepostas, com as fibras cruzadas perpendicularmente. Estas chapas são produzidas sob duas principais especificações: a) para uso interno com colagem à base de resina de uréiaformaldeído, sendo empregado basicamente na indústria moveleira; b) para uso externo com

3 colagem à base de resina de fenol-formaldeído, sendo normalmente utilizado na construção civil (Maloney,1996) (6). A laminação cruzada do compensado resulta em propriedades físicas e mecânicas mais desejáveis nas solicitações biaxiais, como é o caso de almas de viga e de painéis de contraventamento. A resistência da madeira na direção paralela às fibras é maior que na direção perpendicular. As fibras cruzadas aumentam significativamente a resistência e a rigidez na direção normal às fibras, do compensado em comparação com a madeira maciça. Portanto, painéis de compensado possuem boa rigidez e resistência na direção perpendicular e paralela às fibras da lâmina de face (Olin, 1990) (7). 3. Polímero reforçado com fibra de vidro Os polímeros reforçados com fibras (PRF) são formados a partir da combinação de dois materiais: as fibras, responsáveis pela resistência do compósito e o adesivo que as une, sendo responsável pela transmissão dos esforços entre as fibras e o material reforçado. Entre os adesivos mais utilizados na laminação destes tecidos podem ser destacados as resinas a base de epóxi, poliéster e vinil Adesivo epóxi Dentre os adesivos utilizados para reforços em estruturas de madeira, Fiorelli e Dias (2002) (3) recomendam o uso do adesivo epóxi na produção do polímero reforçado com fibra de vidro. Este adesivo apresenta bons resultados no processo de laminação e colagem das fibras à madeira. Dentre as formulações existentes no mercado de adesivos brasileiro, o epóxi AR-300, tem sua utilização difundida para fixação de fibra de vidro à madeira Adesivo epóxi AR-300 Este tipo de adesivo é constituído por resina (AR-300) e endurecedor (AH-30), foi desenvolvido para fornecer uma excelente penetração a todos os tipos de fibras. Possui uma viscosidade extremamente baixa, possuindo um manuseio semelhante a uma resina poliéster. Este sistema de resina não desenvolve uma superfície pegajosa após o processo de cura, possibilitando laminações sucessivas de outras camadas de fibras (Pardini, 1990) (8). As Propriedades mecânicas do adesivo AR-300 são apresentadas na tab. 1. Tabela 1 - Propriedades do adesivo epóxi AR 300. Propriedades mecânicas do Adesivo AR Resistência à flexão Resistência à compressão 103 MPa 154 MPa 3.2. Fibra de vidro As fibras de vidro são produzidas a partir de sílica (SiO 2 ), através da adição de óxido de cálcio, boro, sódio e alumínio. São materiais amorfos e sua cristalização ocorre depois de prolongado tratamento com altas temperaturas. Dentre as vantagens do uso de fibra de vidro em reforços de estruturas podem ser destacadas: baixo custo, em relação a outras fibras (carbono e aramid), alta resistência ao impacto e à corrosão. Pode ser destacado como um produto que também é fabricado no Brasil.

4 4. Materiais e métodos Foram manufaturadas chapas de madeira compensada reforçada com fibra de vidro e chapas convencionais sem o reforço. A manufatura obedeceu às etapas adotadas para fabricação de produtos desta natureza, como apresentado a seguir: Secaram-se as lâminas de madeira em estufas até atingirem o teor de umidade entre 4 a 6%. Aplicou-se o adesivo poliuretano à base de mamona, bicomponente, formado pelo poliol B1640 e o prepolímero A249, com pincéis, em linha simples, para garantir uma boa uniformidade de distribuição do adesivo na superfície da lâmina. A gramatura, quantidade de adesivo a ser aplicado por área, foi de 250 g/m 2. Estudos apresentados por Dias e Lahr (2003) (9) confirmam a eficiência deste adesivo na manufatura de compensados. As lâminas foram colocadas ortogonalmente umas sobre as outras e prensadas por 10 min. com pressão de 12 dan/cm 2 e temperatura de prensagem de 60ºC para acelerar a cura do adesivo. Após a prensagem, esperou-se o resfriamento da prensa e retirou-se a chapa, mantendo-a em posição vertical. Esperou-se o período de duas semanas para uniformizar a adesão e retiraram-se os corpos-de-prova. As chapas de madeira compensada foram fabricadas com sete lâminas obtidas da espécie Eucalyptus grandis, com 2mm de espessura nominal. Foram fabricadas quatro chapas de espessura nominal 14mm e área de 60x60cm. Duas chapas foram produzidas com a adição de uma camada de fibra de vidro bi-direcional, de espessura 0,25 mm e adesivo epóxi AR-300 antes da última lâmina, conforme desenho esquemático apresentado na fig. 1. Para comparação entre resultados, foram produzidas duas chapas sem reforço de fibra de vidro. Destas extraíram-se os corpos-de-prova para determinação das propriedades físico-mecânicas. (a) Lâmina externa Fibra de vidro Figura 1 - Representação da chapa de madeira compensada reforçada com fibra de vidro. Para se produzir uma chapa de madeira compensada reforçada com fibra de vidro apenas de um lado, será necessário especificar o lado para garantir sua correta utilização. A opção pela adição de fibra de vidro apenas de um lado é para não onerar demasiadamente o produto final Experimentação Os ensaios realizados para a caracterização das chapas de madeira compensada obedeceram às prescrições de documentos normativos da Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. Foram determinados: teor de umidade, NBR 9484 (1986) (10) ; massa específica aparente, NBR 9485 (1986) (11) ; módulos de resistência e elasticidade obtidos no ensaio de flexão estática, NBR 9533 (1986) (12).

5 Para o ensaio de flexão estática, o aparato de ensaio é constituído essencialmente de dois apoios, paralelos, auto-ajustáveis e alinháveis no plano horizontal quando do carregamento, e um cutelo, para aplicação das forças. Foram retirados, de cada chapa de compensado, no mínimo cinco corpos-de-prova de cada direção (paralela e perpendicular à grã das lâminas externas). Na fig. 2 é apresentado o ensaio da madeira compensada à flexão estática. Figura 2 - Ensaio de flexão estática na madeira compensada. No ensaio de flexão estática os corpos-de-prova foram posicionados com o lado que contem a fibra para baixo. Nos ensaios de flexão de madeira compensada, a ruptura do corpo-de-prova ocorre na lâmina superior por compressão, seguida por uma ruptura frágil de tração na lâmina inferior Estudo teórico As chapas de madeira compensada reforçadas foram analisadas de acordo com a teoria clássica da flexão (Beer e Russell, 1995) (13), que considera os alongamentos e encurtamentos das fibras longitudinais proporcionais às suas distâncias ao eixo neutro. Para este tipo de chapa, constituída por dois materiais diferentes, basta determinar a seção equivalente da chapa idealizada, constituída por apenas um dos materiais. 5. Análise dos resultados Nas tabelas 2 e 3 são apresentados os valores das propriedades físico-mecânicas dos corposde-prova da madeira compensada manufaturada sem o reforço da fibra de vidro. As tabelas 4 e 5 apresentam os valores para a madeira compensada com reforço de fibra de vidro. Os resultados são apresentados para as direções paralela e normal às fibras da lâmina externa. Nestas tabelas têm-se: f M = módulo de resistência à flexão estática; E b = Módulo de elasticidade à flexão estática; CV = Coeficiente de variação; Mea = Massa específica aparente. Tabela 2 - Valores médios de propriedades para a chapa de compensado sem reforço (Direção paralela à grã da lâmina externa). Valores f M (MPa) E b (MPa) Média CV (%) 15 6 Mea (g/cm 3 ) 0,80 Teor de umidade (%) 11,4 Número de amostras 07

6 Tabela 3 - Valores médios de propriedades para a chapa de compensado sem reforço (Direção perpendicular à grã da lâmina externa). Valores f M (MPa) E b (MPa) Média CV (%) 15 5 Mea (g/cm 3 ) 0,80 Teor de umidade (%) 11,4 Número de amostras 07 Tabela 4 - Valores médios de propriedades para a chapa de compensado com reforço (Direção paralela à grã da lâmina externa). Valores f M (MPa) E b (MPa) Média CV (%) Mea (g/cm 3 ) 0,82 Teor de umidade (%) 11,6 Número de amostras 07 Tabela 5 - Valores médios de propriedades para a chapa de compensado com reforço (Direção perpendicular à grã da lâmina externa). Valores f M (MPa) E b (MPa) Média CV (%) 8 12 Mea (g/cm 3 ) 0,82 Teor de umidade (%) 11,6 Número de amostras 07 Ao comparar os valores da tabelas 2 e 3 com os das tabelas 4 e 5, observa-se que a utilização de reforço de fibra de vidro nas chapas de madeira compensada aumentou de 2 e 5% na resistência à flexão nas direções paralelas e perpendiculares a grã da lâmina externa, respectivamente. Este aumento pode ser visualizado pela fig. 3.

7 100 Resistência à flexão (MPa) S/ Reforço C/ Reforço Paralela S/ Reforço C/ Reforço Perpendicular Figura 3 - Resistência à flexão para compensados com e sem reforço. A figura 4 apresenta uma comparação do módulo de elasticidade para chapas de madeira compensada sem e com reforço de fibra de vidro. Observa-se que para a direção perpendicular houve um aumento de 42% na rigidez à flexão e para a direção paralela à grã da lâmina externa, um aumento de 27%. O aumento foi maior na direção perpendicular à grã da lâmina externa. Esta diminuição na rigidez diminui o índice de anisotropia das chapas. Módulo de elasticidade (MPa) S/ Reforço C/ Reforço Paralela S/ Reforço C/ Reforço Perpendicular Figura 4 - Módulo de elasticidade para compensados com e sem reforço Análise teórica chapa de madeira reforçada com fibra de vidro Este item apresenta um modelo teórico de cálculo da rigidez de chapas de madeira compensada reforçadas com fibra de vidro. A análise utilizou o método da seção transformada. A determinação da rigidez teórica de chapas de madeira compensada constituiu em avaliar chapas com seção retangular (7,5 x 1,4 cm) reforçadas com a respectiva fibra. As chapas reforçadas são constituídas por dois materiais, madeira e fibra. A madeira está posicionada em duas diferentes direções, paralela e perpendicular à grã da lâmina externa. Isto acarreta diferenças nos valores dos módulos de elasticidade de uma direção em relação á outra. Para a determinação da rigidez à flexão, considerou-se o cálculo da seção equivalente da chapa idealizada, constituída por apenas um dos materiais. A seção retangular, apresentada na fig. 5, constituída por madeira na direção paralela (material 1), madeira na direção perpendicular (material 2) e fibra (material 3), ilustra este modelo. Para o reforço de fibra foi estabelecida espessura e e para as lâminas de madeira espessura igual a c.

8 b b 1 h 2 3 (a) 1 b (b) Y cg c e Figura 5 - (a) Chapa constituída por materiais diferentes e (b) seção equivalente. A seção transversal equivalente, apresentada na fig.5 (b), é considerada como sendo constituída apenas pelo material 1 (madeira). As larguras b e b são determinadas pelo produto da relação dos módulos de elasticidade pela largura b (eq. 1 e 2). ' E2 b = b (1) E 1 '' E3 b = b (2) E Para a seção equivalente, foi determinada a posição do centro de gravidade da peça (y cg ), cotado em relação à borda superior da viga de madeira. O valor do momento de inércia para a seção equivalente (Figura 5 (b)) da chapa com reforço (Ir) é dado pela eq.3. 1 n 3 bh = + Ai i= 1 2 i I r.d (3) 12 Para a seção equivalente, foi determinada a posição do centro de gravidade da peça (y cg ) Comparação da rigidez à flexão experimental e teórica A comparação entre a rigidez à flexão (EI), experimental e teórica, de chapas de madeira compensada com reforço de fibra de vidro, experimental e teórico, para as direções paralela e perpendicular é apresentada na fig. 6.

9 2000 Rigidez à flexão - EI (kn.cm2) Experimental Teórico Paralela Experimental Teórico Perpendicular Figura 6 - Rigidez à flexão experimental e teórico para chapas com reforço de fibra de vidro. Ao observar os valores apresentados na fig. 6, notamos que, o modelo teórico para determinação da rigidez à flexão de chapas de madeira compensada reforçada, conduz a valores próximos dos obtidos experimentalmente. Os valores dos módulos de elasticidade das lâminas de madeira, nas direções paralela e perpendicular utilizados nos cálculos teóricos foram determinados a partir do valor experimental dos módulos de elasticidade à flexão. Para a fibra o valor do módulo de elasticidade foi obtido experimentalmente, seguindo as recomendações da norma ASTM D3039 (1995) (14) - Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. Os valores destes módulos de elasticidade são apresentados na tab. 6. Tabela 6 - Valores dos módulos de elasticidade para as lâminas de madeira e para a fibra de vidro. Material Módulo de elasticidade (MPa) Madeira Paralela Madeira Perpendicular Fibra de vidro Conclusões A utilização de reforço de fibra de vidro em chapas de madeira compensada proporcionou um ganho na resistência e na rigidez do material reforçado. O aumento da rigidez foi mais significativo para os corpos-de-prova na direção perpendicular à grã da lâmina externa. Diminuindo assim, o índice anisotrópico da chapa. O modelo teórico para determinação da rigidez à flexão de chapas de madeira compensada reforçada apresentou valores próximos dos obtidos experimentalmente. Vale ressaltar que as chapas foram reforçadas com apenas uma camada de fibra de vidro entre as duas últimas lâminas. Estudos devem ser conduzidos para avaliar a relação custo/benefício, o aumento no número de camadas de fibras e também a eficiência de outros tipos de adesivos. 7. Agradecimentos Os autores agradecem à Fundação de amparo á Pesquisa do estado de São Paulo FAPESP e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e tecnológico CNPq.

10 8. Referências bibliográficas (1) Dias, F.M., Lahr, F.A.R. (2000). Estudo do comportamento estrutural de madeira compensada fabricada com adesivo alternativo á base de mamona. In: Jornadas Sul- Americanas de Engenharia Estrutural, Anais cd-room, Brasília, Brasil. (2) Stamato, G.C. (1998). Utilização de compensado, laminated veneer lumber e oriented strainboard em estruturas permanentes. São Carlos. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Paulo. (3) Fiorelli, J., Dias, A.A. (2002). Reforço de estruturas de madeira com fibra de vidro e com fibra de carbono. In. Revista da Madeira Wood Magazine, Ano 11, Nº64. (4) Dagher, H.J. (2000). High Performance Wood Composites for Construction. In: VII EBRAMEM, Anais Cd-room, São Carlos, Brasil. (5) APA. (1998). FRP Plywood. The Engineered Wood Association. (6) Maloney, T.M. (1996). The family of wood composite materials. Forest Products Journal, v.10, n.2., p (7) Olin, H.W. (1990). Wood. In: Construction: Principles, Materials & Methods. Ed. Van Nostrand Reinhold, New York, p (8) Pardini, L.C. (1990). Comportamento dinãmico-mecânico à fratura de materiais compostos epóxi/elastõmero/fibra de carbono. São Carlos. Dissertação (Mestrado), Universidade Federal de São Carlos. (9) Dias, F.M., Lahr, F.A.R. (2003). Adesivo à base de mamona para compensado. In: Revista da Madeira wood magazine. Ano 13, Nº72. (10) Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1986). NBR Chapas de madeira compensada: determinação do teor de umidade. Rio de Janeiro, 3p. (11). (1986). NBR Chapas de madeira compensada: determinação da massa específica aparente. Rio de Janeiro, 3p. (12) Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1986). NBR 9533/86 - Compensado: determinação da resistência à flexão estática. Rio de Janeiro, 3p. (13) Beer, F.P., Russel, J. Jr. (1995). Resistência dos materiais. Makron Books. 1255p. 3 a edição. (14) American Society for Testing and Materials. (1995). D Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.