ADERÊNCIA À ALTAS TEMPERATURAS ENTRE MADEIRA E REFORÇOS EM AÇO E EM CARBONO

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1 2as Jornadas de Segurança aos Incêndios Urbanos Universidade de Coimbra- Portugal 3 de Junho de 211 ADERÊNCIA À ALTAS TEMPERATURAS ENTRE MADEIRA E REFORÇOS EM AÇO E EM CARBONO Maria do Carmo G. Serra Engenheira HabiOliveira, Construções, Portugal. Poliana Dias de Moraes * Professora, Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil. João Paulo C. Rodrigues Professor, Universidade de Coimbra, Portugal. SUMÁRIO Neste trabalho apresentam-se os resultados de um estudo sobre a avaliação da influência da temperatura e do comprimento de aderência na adesão à madeira de materiais de reforço, em 4 níveis de temperatura: 2, 4, 6 e 8 C. A espécie de madeira usada foi o Pinus taeda e os reforços utilizados foram a manta de fibra de carbono (CFRP), com designação comercial de SikaWrap -23C e chapa de aço A36, respectivamente. O adesivo usado foi uma cola epóxi designada comercialmente por Sikadur -33. Palavras-chave: aderência, altas temperaturas, madeira, reforço. 1. INTRODUÇÃO A necessidade de recuperação e reforço de elementos estruturais de madeira exigiu a procura de métodos mais eficientes que pudessem cumprir esse papel, tais como o uso de fibras poliméricas (FRP Fibre Reinforced Polymer), devido à elevada resistência apresentada por elas. A ligação destes materiais com a madeira tanto se realiza através de adesivos, como por fixadores mecânicos. À temperatura ambiente, o comportamento desse material já é bem conhecido, o mesmo não se pode dizer em relação a temperaturas elevadas [1]. Assim, neste trabalho, será avaliada a influência da temperatura e do comprimento de aderência na adesão à madeira de materiais de reforço em CFRP e chapas de aço. * Autor correspondente Departamento de Engenharia Civil. Universidade Federal de Santa Catarian Caixa Postal XXX Campus Universitário - Trindade Florianópolis, SC. BRASIL. Telef.: ecv1pdm@ecv.ufsc.br 177

2 Maria do Carmo G. Serra, Poliana Dias de Moraes, João Paulo C. Rodrigues 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais A madeira utilizada neste estudo foi o Pinus taeda oriunda de florestas plantadas do estado de Santa Catarina, Brasil, com massa específica entre 365 a 513 kg/m 3 e 13,5% de teor de humidade. Os reforços utilizados foram manta de fibra de carbono (CFRP) com designação comercial de SikaWrap -23 C e chapa de aço é um aço A36 (equivalente ao aço S355), que corresponde aproximadamente a um aço S235. O adesivo usado foi cola epóxi designada comercialmente por Sikadur As características físico-mecânicas destes materiais estão especificadas no Quadro 1. Materiais Quadro 1: Características físico-mecânicas dos materiais [2,3] Espessura (mm) Massa vólumica (kg/dm 3 ) Resistência à tracção (MPa) Módulo de elasticidade (MPa) Extensão na rotura (%) Manta SikaWrap -23 C,131 1, ,8 Adesivo Sikadur -33 1, ,9 Chapa de Aço A36 2,15 7, Amostra e corpos-de-prova A amostra usada para esta pesquisa era composta por 14 corpos-de-prova: 4 para a avaliação do comportamento da madeira ao corte e 1 para a avaliação da resistência da linha de cola e dos reforços, os quais foram distribuídos em 4 grupos estatisticamente homogêneos quanto à massa específica [4], para serem testados em 4 níveis de temperatura, dado que a acima de 8ºC o adesivo utilizado deixa de ter resistência, conforme apresentado no Quadro 2. Corpos-de-prova Quadro 2: Características da amostra Massa Quantidade de provetes específica (kg/m 3 ) 2 ºC 4 ºC 6 ºC 8 ºC Madeira maciça 365 a Madeira cola 44 a Madeira aço 433 a Madeira CFRP (3 cm) 426 a Madeira CFRP (4 cm) 43 a Madeira CFRP (5 cm) 432 a Total As Figuras 1(a), (b) e (c) ilustram os corpos-de-prova usados nesta pesquisa, os quais foram definidos a partir de pesquisa na literatura da especialidade [5-7]. Para a avaliação da resistência ao corte da madeira maciça (Fig. 1a) e da linha madeira cola (Fig. 1b) seguiram-se as especificações da norma EN 383 [3], com as devidas adaptações sugeridas por Szücs et al. [4]. Para a avaliação da aderência usou-se o modelo proposto por Balseiro [7] (Fig. 1c). A dosagem de cola aplicada nos dois pedaços de madeira com área igual a 14 cm x 6 cm (provete madeira CFRP), em média foi de,8 kg/m 2, conforme o recomendado, esta tem de ser misturada numa proporção de 4:1 e tem um tempo aberto de 3 minutos [2]. A aplicação do adesivo foi efectuado com um pincel, tendo sempre um cuidado redobrado para não deixar bolhas de ar e obter uma película de espessura aproximadamente uniforme. Quando aplicada a fibra de carbono passou-se um rolo de impregnação para retirar todas as possíveis bolhas de ar existentes. 178

3 (a) madeira maciça (b) madeira-cola (c) reforço Figura 1: Dimensões dos corpos-de-prova 2.3 Ensaios mecânicos Os ensaios mecânicos foram realizados no interior de uma câmara térmica à temperatura, de 2 ºC, 4 ºC, 6 ºC e 8 ºC (Fig. 2b). Para tal foi utilizado um dispositivo de ensaio composto por um cilindro hidráulico de duplo curso fixado num pórtico metálico, no qual estava acoplada uma célula de carga de 5 kn, uma laje de reacção e um sistema de aquisição de dados da marca Spider 8 com o software Catman (Fig. 2a). Os ensaios deveriam ter sido realizados em controlo de deslocamento, no entanto devido às limitações do sistema de ensaio utilizado tal não foi possível. Então realizou-se os ensaios em controlo de força. A força foi aplicada com velocidade constante de tal modo que a força máxima seja atingido dentro de 3 ± 12 min [8]. Os corpos-de-prova foram aquecidos previamente para apresentarem o seu interior com temperatura homogênea. Os tempos de aquecimento definidos por ensaios preliminares para os corpos-de-prova madeira CFRP e madeira aço foi de 12 min, para os corpos-de-prova madeira cola foi de 24 min e para os corposde-prova de madeira maciça foi de 18 min [1]. 179

4 Maria do Carmo G. Serra, Poliana Dias de Moraes, João Paulo C. Rodrigues (a) Pórtico, sistema de aquisição de dados (b) Câmara térmica Figura 2: Dispositivos de ensaio 2.4 Determinação do teor de humidade O teor de humidade foi obtido pela Eq. (1) e a sua determinação foi realizada utilizando os próprios corpos-deprova ensaiados nos testes mecânicos, os quais foram pesados no fim da realização dos ensaios (m i ), em seguida foram colocados no forno eléctrico à temperatura máxima de 13 ± 2ºC para se proceder à secagem, verificando-se a cada 6 horas a ocorrência de variação de massa, entre duas medidas consecutivas, menor ou igual a,5 % da última massa medida, esta será a massa seca (m s ) [8, 9]. onde: m i massa inicial, no fim do ensaio (g); m s massa seca, após secagem (g). u m s m m s i 1, (1) 2.5 Resistência mecânica da madeira e do reforço A resistência ao corte f v,t é dada pela razão entre a força máxima actuante no provete a uma dada temperatura e a área sujeita ao corte, como mostra a Eq. (2) f v, T F v, máx A v, (2) onde: F v,máx força máxima de corte aplicada na extremidade do provete, em (N) a uma dada temperatura T. A v área da secção transversal do provete sujeita a corte, e área do reforço colado, em (mm 2 ). Quando a rotura se dá pelo substrato, por vezes é superior à área de corte da projecção das superfícies coladas. Neste caso, a área foi calculada através da projeção da secção de rotura sobre o provete, por meio do programa Image Tool a partir das fotografias da região de rotura, como apresenta a Fig. 3. Se a superfície de rotura for superior a falha 2% da área da interface colada, o resultado deve ser desprezado. 18

5 (a) Fotografia da superfície de rotura (b) Área de corte projectada Figura 3: Superfície de rotura do corpo-de-prova 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nesta secção serão apresentados os resultados relativos ao teor de água, a resistência ao corte da madeira maciça e madeira cola, resistência ao corte do reforço assim como a influência do comprimento do reforço. 3.1 Teor de água As Figuras 4a e 4b ilustram o teor de água dos corpos-de-prova no final do ensaio. Conforme o esperado, o teor de água decresce com o aumento da temperatura. Para os níveis de temperatura estudados, somente existe a libertação de água livre da madeira, não havendo libertação da humidade contida na parede celular [11] Teor de água (%) Teor de água (%) Temperatura (ºC) Legenda: Madeira - cola Madeira maciça Temperatura (ºC) Legenda: CFRP - 3 cm CFRP - 4 cm CFRP - 5 cm Aço - 3 cm (a) Madeira cola (b) Reforço Figura 4: Teor de água dos corpos-de-prova 3.2 Resistência ao corte da madeira maciça e da madeira cola As Figuras 5a e 5b ilustram os resultados de resistência ao corte paralelo às fibras do Pinus taeda e da linha de cola madeira, respectivamente. À temperatura ambiente, a resistência média ao corte da madeira maciça foi de 4,6 MPa, apresentando uma redução de 15% a 8 C em relação à temperatura ambiente. Segundo os testes de 181

6 Maria do Carmo G. Serra, Poliana Dias de Moraes, João Paulo C. Rodrigues análise de variância, há diferenças estatisticamente significativas entre os resultados a 2 e 6 ºC, entre 2 ºC e os 8 ºC e entre 4 ºC e os 6 ºC, com nível de confiança de 95% [4]. Manriquez [12] obteve comportamento similar para o Paricá, cuja resistência ao corte média à temperatura ambiente foi de 2,9 MPa. A resistência média ao corte dos corpos-de-prova madeira cola foi de 4,4 MPa à temperatura ambiente. Verificou-se que, a 4 C, houve um pequeno aumento de resistência, devido à secagem da linha de cola e ao aumento da polimerização do adesivo epóxi devido o aumento da temperatura. Contudo, a 8 C, a resistência média dos corpos-de-prova foi 3% inferior à resistência obtida a 2 C Por meio do teste de análise de variância, verificou-se que há diferenças estatisticamente significativas entre os resultados a 2 e 8º C e entre 4 e 8 ºC. A diferença entre as resistências dos corpos-de-prova de madeira maciça e os com madeira colada provavelmente está associada a sensibilidade do adesivo às temperaturas elevadas fv (MPa) 4 fv (MPa) Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) (a) Madeira maciça (b) Madeira cola Figura 5: Resistência ao corte do corpos-de-prova 3.3 Resistência ao corte dos reforços de carbono e de aço As resistências médias ao corte dos reforços de fibra de carbono de 3, 4 e 5 cm foram, à temperatura ambiente, 7,5 MPa, 7, MPa e 6,7 MPa, respectivamente, enquanto a resistência média dos reforços de aço de 3 cm foi 7,1 MPa. A Figura 6 ilustra as resistências médias dos reforços de fibra de carbono e de aço ao corte. A 4 C, nos corpos-de-prova com reforço de aço, verifica-se um pequeno aumento de resistência devido à polimerização do adesivo, originaria da formação de ligações moleculares que ainda não se tinham formado à temperatura ambiente. Duarte [13] afirma que muitos adesivos não alcançam as suas propriedades mecânicas máximas à temperatura ambiente, a menos que sejam sujeitos a uma pós-cura e que em geral o efeito de pós-cura aumenta os valores dessas propriedades. Entre 2 e 4 C, verificou-se que a maioria das roturas das ligações coladas ocorreu no substrato de madeira, sendo que muitos resultados foram descartados por apresentarem áreas de ruptura superiores a 2% da área de colagem das interfaces. Acima de 4 C, as roturas ocorrem no adesivo. A partir dos 6ºC, constatou-se que havia uma diminuição linear da resistência ao corte, dado que a partir da temperatura de transição vítrea os adesivos deixam de ter todas as suas propriedades e características iniciais. Como o adesivo usado nesta pesquisa é termorrigido este, quando aquecido a temperaturas superiores à temperatura de transição vítrea, perde resistência. A ficha técnica do produto não indica a temperatura de transição vítrea, mas com os resultados obtidos supõem-se que seja entre os 5ºC e 6ºC. Os dados obtidos mostram que as temperaturas de 6 e 8 C provocam reduções médias de resistência de 4% e 6%, respectivamente, como pode ser constatado na Figura 6. Verificou-se por meio de alguns testes de variância que existem diferenças estatisticamente significativas entre os resultados a temperaturas elevadas e aqueles obtidos à temperatura ambiente, indicando a influência da 182

7 temperatura no comportamento mecânico dos reforços de fibras de carbono e de chapas de aço. Contudo, recomenda-se refazer os ensaios com um número maior de corpos-de-prova, a fim de se obter resultados estatisticamente mais representativos, tendo em vista o descarte de muitos resultados por apresentarem áreas de ruptura superior à 2% da área de colagem das interfaces. fv (MPa) Legenda: CFRP - 3 cm CFRP - 4 cm CFRP - 5 cm Aço - 3 cm Temperatura (ºC) Figura 6: Resistência dos reforços ao corte 3.4 Influência do comprimento do reforço na resistência ao corte A Figura 7 ilustra a resistência média ao corte dos reforços de fibra de carbono em função do comprimento de colagem em diferentes temperaturas. Pode-se constatar que, todos os resultados à temperatura ambiente, têm a mesma tendência, isto é, a diminuição da resistência com o aumento do comprimento de colagem. Este comportamento também foi observado por por Steiger [14] e Balseiro [7] à temperatura ambiente. fv (MPa) Legenda: T = 2 ºC T = 4 ºC T = 6 ºC T = 8 ºC Balseiro (27) Weimar (apud Balse Steiger (24) Comprimento (cm) Figura 7: Resistência ao corte de diferentes comprimentos de reforço 4. MODOS DE ROTURA 4.1 Provetes madeira maciça e madeira cola A rotura dos provetes madeira maciça e madeira cola seguem todos a mesma tendência, excepto a 8ºC, onde se verifica rotura na linha de cola, nos provetes madeira cola. Nas Figuras 8 e 9 pode-se ver que há uma 183

8 Maria do Carmo G. Serra, Poliana Dias de Moraes, João Paulo C. Rodrigues tendência para a rotura ocorrer com uma certa inclinação, isto acontece provavelmente devido ao plano em que estão contidos os anéis de crescimento. Verifica-se que a rotura ocorre paralelamente entre os anéis de crescimento de Inverno e de Verão quando estes estão no plano radial e há um ressalto entre anéis de Inverno e Verão quando estes estão no plano tangencial, como ilustra a Figura 1. Figura 8: Rotura dos provetes madeira maciça. Figura 9: Rotura dos provetes madeira cola. Figura 1: Ilustração da rotura segundo os anéis de crescimento. Nos ensaios de determinação da resistência ao corte da linha de cola, até 6 C, verificou-se que quase a totalidade dos provetes romperam na madeira, enquanto, a 8 C, eles tiveram uma rotura mista, isto é, romperam na cola e na madeira simultaneamente. Isto demonstra que até 6 C, a resistência do adesivo ao corte é maior que a resistência da madeira. 4.2 Provetes madeira reforço Nos provetes reforçados obteve-se 4 tipos de roturas, no entanto como apenas eram esperados dois tipos de rotura, rotura pela madeira (Figura 11 a) e rotura pela linha de cola a temperaturas superiores a 6 ºC (Figura 11 b), as restantes roturas ocorridas em alguns provetes, rotura pela fibra (Figura 12 a) e rotura por esmagamento 184

9 na zona do pino (Figura 12 b), foram desprezados. Também foram desprezados os provetes que tiveram rotura pela madeira superior a 2 % da área de rotura pretendida (Figura 12 c), segundo indicação da EN 48 [8]. a) Rotura pela madeira, 2 ºC b) Rotura pela linha de cola, 6 ºC Figura 11: Modos de rotura dos provetes reforçados. a) Rotura pela fibra b) Rotura por esmagamento na zona do pino c) Rotura superior a 2% da área pretendida Figura 12: Modos de roturas rejeitados 5. CONCLUSÕES Neste trabalho foi avaliada a influência de temperaturas entre 2 e 8 C e de comprimentos de aderência entre 3 e 5 cm na resistência ao corte dos reforços em CFRP e chapas de aço em corpos-de-prova de Pinus taeda com massa específica entre 365 a 513 kg/m 3 e 13,5% de teor em água. Os resultados obtidos permitem concluir que: Para o intervalo de temperaturas estudado, esta causa uma redução de 15% na resistência ao corte paralelo às fibras em corpos-de-prova maciços de Pinus taeda em relação à resistência obitida à temperatura ambiente, enquanto que em corpos-de-prova colados com adesivo epóxi esta resistência é de 3%. Um pequeno aumento da temperatura, neste caso 4 ºC, a resistência na linha de cola também aumenta, devido à polimerização do adesivo. Temperaturas de 6 e 8 C provocam reduções de resistência de aproximadamente 4% e 6%, respectivamente. É necessário refazer os ensaios usando um número maior de corpos-de-prova, a fim de compensar os descartes devidos à não-conformidades do tamanho das áreas com as condições especificadas pelas normas. 185

10 Maria do Carmo G. Serra, Poliana Dias de Moraes, João Paulo C. Rodrigues AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Brasil, e à Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), Portugal, pelo financiamento do projeto de cooperação transnacional Comportamento ao Fogo de Elementos de Madeira Reforçado. REFERÊNCIAS [1] Serra, M.C.G. - Estudo da aderência a altas temperaturas entre madeira e materiais de reforço. Dissertação de Mestrado, Universidade de Coimbra, 21, 8p. [2] Sika do Brasil - Sikadur 33 resina epóxi, bi-componente para impregnação. Ficha de produto, 29, 6p. [3] Sika Indonesia - Technical data sheet. SikaWrap -23 C/45, 4 ed. 28, 6p. [4] Montgomery, C. e Runger C. - Applied statistics and probability for engineers, 3rd ed. Wiley, New York, 23 [5] EN Determination de caracteristiques de fondation et de la portance locale d'elements d'assemblages de type broche, [6] Szücs, C., Neto, A., Grohmann, S. e Rovere, H. Proposta de ensaio para cisalhamento paralelo às fibras da madeira, VI Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira (VI EBRAMEM), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, v1, pp [7] Balseiro, A - Reforço e reabilitação de vigas de madeira por pré-esforço com laminados FRP, Dissertação de mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 27. [8] EN 48 - Timber structures, Structural timber and glued laminated timber, Determination of some physical and mechanical properties, CEN, 23. [9] NBR 719 Projeto de estruturas de madeira, ABNT, Rio de Janeiro, [1] EN Design of timber structures Parte1-1: General rules and rules for building, CEN, Bruxelas, 24. [11] Young, S., Clancy, P. - Compression Mechanical Properties of Wood at Temperatures Simulating Fire Conditions, Fire and Materials, Vol. 25, 21, pp [12] Manriquez, M. - Influência da temperatura sobre a resistência mecânica do paricá, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 28. [13] Duarte, A. - Reabilitação de elementos estruturais de madeira com argamassa epoxídica armada, Dissertação de mestrado, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 24. [14] Steiger, R. - Bonding Carbon Fibre-reinforced Plastics (CFRP) with Wood, COST E34 Conference: Innovations in Wood Adhesives, Biel, Switzerland,