DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE RESISTÊNCIA E RIGIDEZ DE TECIDOS UNIDIRECIONAIS DE FIBRA DE VIDRO E DE FIBRA DE CARBONO

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1 DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE RESISTÊNCIA E RIGIDEZ DE TECIDOS UNIDIRECIONAIS DE FIBRA DE VIDRO E DE FIBRA DE CARBONO J. Fiorelli, A.A. Dias Av. Trabalhador Sãocarlense, 400, Centro,São Carlos/SP, CEP: fiorelli@sc.usp.br Pós-Graduação Interunidades em Ciência e Engenharia de ;Materiais - Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeiras LaMEM/EESC/USP RESUMO Materiais alternativos estão surgindo para serem usados em conjunto com a construção civil para solucionar problemas de envelhecimento e degradação de elementos estruturais. Entre estes materiais, os que vêm apresentando bons resultados para desempenhar este papel, são as fibras reforçadas com polímeros (FRP). Dentre estas fibras, as que mais se destacam são os tecidos unidirecionais de fibra de carbono e de fibra de vidro, formados pela superposição de fibras unidas por uma costura de fio poliéster, que apresentam baixa densidade e excelente capacidade de absorção de diversos tipos de resinas. O presente trabalho tem por objetivo apresentar as principais técnicas para laminação de FRP e determinar as propriedades mecânicas de resistência e rigidez de tecidos unidirecionais laminados com resina epóxi, seguindo as recomendações da norma ASTM D 3039 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. São apresentados resultados obtidos para tecido de fibra de carbono e de fibra de vidro, que são importantes para fundamentar a aplicação destes materiais na recuperação de estruturas. Palavras-Chaves: Fibra de vidro, fibra de carbono, resistência e rigidez. INTRODUÇÃO A construção civil esta sempre em busca de novas soluções viáveis e econômicas a fim de promover a recuperação e o reforço de estruturas e de edificações sem demoli-las. O reforço e a recuperação estrutural são necessários para resolver problemas de envelhecimento das obras. Muitas delas fazem parte do patrimônio histórico e arquitetônico, e a demolição não se apresenta como uma opção viável. A recuperação estrutural também abrange edificações abaladas por sinistros de qualquer natureza ou por falhas no planejamento, projeto, execução ou por empregos de materiais e componentes de baixa qualidade. Existem situações em que as estruturas de madeira, concreto e aço precisam ser reparadas, tornando-as novamente aptas ao uso, e outros casos em que se necessita fazer reforço para obter um aumento na capacidade de carga do elemento estrutural. Recentemente, materiais alternativos vêm sendo estudados para recuperar e reforçar estruturas. Uma grande atenção vem sendo dada para o uso de fibras reforçadas com polímeros (FRP). A determinação das propriedades mecânicas das respectivas fibras tem a função de fundamentar a aplicação deste material em reforço de estruturas. 1651

2 TÉCNICAS DE LAMINAÇÃO DE FIBRAS O bom desempenho do reforço de fibras reforçadas com polímeros (FRP), está diretamente ligado ao processo de laminação utilizado. Os processos de laminação de tecidos de fibras mais utilizados atualmente são o de laminação por contato manual e o de laminação por projeção. Laminação por contato manual Este tipo de laminação tem esta denominação devido às baixas pressões necessárias para moldar a fibra. Apresenta-se como um método econômico e não requer mão-de-obra especializada. O processo de laminação deve seguir as seguintes etapas: Aplicação de uma camada de resina sobre a superfície onde será aplicado o reforço, utilizando um pincel ou um rolo de lã. Em seguida coloca-se a primeira camada de fibra, previamente cortada, segundo as dimensões aproximadas da peça a ser moldada. Novamente repete-se a aplicação de resina sobre o reforço, realizando na seqüência a consolidação usando um rolo de desaeração, eliminando as bolhas de ar e impregnando a resina de forma igual por todo o reforço (catálogo Saint-Gobain Vetrotex, 1999) (1). Esta técnica é a mais indicada para realizar a aplicação do reforço de fibra em estruturas. A figura 01 apresenta um processo de laminação de fibra de vidro sobre uma viga de madeira. Aplicação de resina Colagem do tecido de Aplicação da 2a camada Retirada de bolhas de ar sobre a viga de madeira fibra de vidro de resina - rolo de desaeração Figura 01 - Processo de laminação manual de fibra de vidro em vigas de madeira Laminação por projeção A moldagem por projeção simultânea supõe uma primeira evolução da moldagem por contato, embora apresente muitos pontos em comum a moldagem manual. A realização do processo consiste em depositar sobre o molde, de forma simultânea, fibra e resina, nas proporções adequadas e de maneira que, as quantidades depositadas originem sobre o molde um tapete o mais homogêneo possível, quanto sua espessura e distribuição. 1652

3 Durante a operação de projeção simultânea, os movimentos devem ser precisos para garantir a espessura desejada da peça e sua uniformidade. Para isto o operador deve dirigir a pistola até o molde e controlar seu movimento, posicionando-a em frente ao mesmo a uma distância de cm. As outras operações realizam-se do mesmo modo que no caso da moldagem por contato, durante a impregnação e retirada de bolhas. A figura 02 apresenta o processo de laminação por projeção (catálogo Saint -Gobain Vetrotex, 1999) (1). MATERIAIS E MÉTODOS Figura 02 - Processo de laminação por projeção O método de ensaio empregado para a caracterização das fibras de vidro e das fibras de carbono foi o da norma ASTM D3039/95 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, da American Society for Testing and Materials (2), que especifica os procedimentos para determinação da resistência à tração e do módulo de elasticidade de materiais compósitos reforçados com matriz polimérica. Para que os corpos-de-prova tenham um número suficiente de fibras na seção transversal, que represente as propriedades do material, devem ser estabelecidas dimensões mínimas para os mesmos. As dimensões mínimas dos corpos-de-prova para serem utilizados nos ensaios de tração estão apresentadas na tabela I, que exemplifica algumas dimensões, em função da direção das fibras. Orientação das fibras Tabela I - Geometria dos corpos-de-prova. Fonte: ASTM D3039 (1997) Geometria recomendada para ensaio de tração em fibras Largura Comp. Esp. Comp. Aba Esp. Aba Angulo da Aba ( o ) 0 o Unidirecional , ou o Unidirecional , Fios Descontínuos ,

4 O carregamento deve respeitar uma velocidade de 2mm/min. Os materiais utilizados para a confecção dos corpos-de-prova foram tecido unidirecional de fibra de carbono(vgw 095) e de fibra de vidro (VEW 130). As figuras 03 e 04 mostram estes dois tipos de materiais. Figura 03 - Tecido de fibra de carbono Figura 04 - Tecido de fibra de vidro As fibras foram cortadas na direção paralela, obtendo-se tiras com largura igual a 15 mm e comprimento igual a 250 mm. Foram dispostas sobre uma superfície impermeável para aplicação do adesivo epóxi sobre as mesmas, com o auxílio de um pincel. O processo de laminação utilizado foi o manual. A quantidade de adesivo utilizada foi cerca de 3,2 gramas por corpo-de-prova. A figura 05 ilustra o procedimento descrito. Figura 05 - Laminação de corpos-de-prova de fibra de vidro com resina epóxi Na determinação das tensões atuantes foram utilizadas duas maneiras para cálculo da área da seção transversal dos corpos-de-prova: a primeira considera a espessura final da seção transversal do corpo-de-prova (método A); a segunda considera a espessura das fibras utilizadas (método B), sendo: e = 0,20mm (fibra de vidro), e = 0,25mm (fibra de carbono). Forma realizados ensaios com corpos-de-prova sem laminação, com o objetivo de avaliar a influência do adesivo nas propriedades mecânicas dos respectivos tecidos. A tabela II apresenta as seguintes informações referentes aos corpos-de-prova ensaiados: materiais empregados na confecção, número de camadas de fibras utilizadas na laminação e quantidade de corpos-deprova ensaiados. Tabela II. Informações referentes aos corpos-de-prova ensaiados Materiais utilizados Número de camadas de fibras Quantidade de corpos-de-prova Fibra de vidro - epóxi 2 12 Fibra de vidro sem adesivo 1 12 Fibra de carbono - epóxi 2 12 RESULTADOS E DISCUSSÕES As tabelas III, IV e V apresentam resultados de resistência a tração e módulo de elasticidade 1654

5 de fibras de vidro e de fibras de carbono laminadas com adesivo epóxi, e de fibras de vidro sem adesivo. E também valores médios e coeficiente de variação (CV). Tabela III. Valores de resistência e módulo de elasticidade de fibra de vidro laminada Resistência (MPa) Módulo de elasticidade (MPa) Método A Método B Método A Método B Média e CV (9,02%) (5,40%) (5,45%) (4,47%) Tabela IV. Valores de resistência e módulo de elasticidade de fibra de carbono laminada Resistência (MPa) Módulo de elasticidade(mpa) Método A Método B Método A Método B Média e CV (13,78%) (5,32%) (11,27%) (3,61%) Tabela V. Valores de resistência e módulo de elasticidade de fibra de vidro sem adesivo Resistência (MPa) Módulo de elasticidade (MPa) Média e CV (14,38%) (7,23%) 1655

6 Analisando as tabelas III, IV e V, pode-se dizer que os valores médios de resistência à tração e do módulo de elasticidade (método B) dos tecidos de fibras de carbono estudados, são aproximadamente 50% maiores que os da fibra de vidro. Observa-se também uma maior uniformidade nos valores calculados a partir do método B. Notou-se que a espessura do corpo-de-prova laminado apresenta grandes variações. Assim, parece mais interessante obter os resultados em função da espessura da fibra. Os valores da resistência à tração, para corpos-de-prova que não foram laminados com resina epóxi, foram aproximadamente a metade da resistência a tração dos corpos-de-prova laminados. Observou-se que o adesivo proporciona um aumento na resistência do material, principalmente na fase de ruptura, por proporcionar uma atuação mais uniforme das fibras. Com relação ao módulo de elasticidade de fibras de vidro laminadas e fibras de vidro sem laminação, percebe-se que não há uma grande diferença entre eles. Porém, o coeficiente de variação dos resultados obtidos para os corpos-de-prova laminados é inferior ao dos corpos-de-prova sem laminação. Provavelmente, isto se deve a existência do adesivo que transfere de forma mais uniforme os esforços aplicados no material. CONCLUSÕES Estudos já realizados indicam que a utilização de FRP para reforço de elementos estruturais de madeira apresenta-se como alternativa promissora para a construção civil. Destas fibras, as que vem apresentando melhores resultados são as fibras de vidro e de carbono. Apesar da resistência a tração e o módulo de elasticidade da fibra de carbono ser superior aos da fibra de vidro, seu custo por metro quadrado, sem laminação é aproximadamente vinte vezes maior que o custo da fibra de vidro. Com base nos resultados apresentados neste trabalho, a fibra de vidro vem apresentando-se como material mais vantajoso na relação custo benefício. A determinação das propriedades mecânicas das respectivas fibras servem de subsídio para que as mesmas possam ser utilizadas no cálculo de reforço de peças estruturais de madeira. Recomenda-se avaliar a resistência à tração e o módulo de elasticidade, utilizando o valor calculado pelo método B, sem resina, por conduzir a resultados com menores variações. Obviamente, o cálculo dos reforços devem ser referidos ao número de camadas necessárias para laminação. REFERÊNCIAS 1. Saint Gobain Vetrotex (1999) Catálogo. 2. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS. (1997). Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM D AGRADECIMENTOS FAPESP Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo 1656

7 DETERMINATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF STRENGTH AND STIFFNESS OF GLASS FIBER AND CARBON FIBER J. Fiorelli, A.A. Dias Av. Trabalhador Sãocarlense, 400, Centro,São Carlos/SP, CEP: Pós-Graduação Interunidades em Ciência e Engenharia de ;Materiais - Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeiras LaMEM/EESC/USP ABSTRACT Alternative materials are appearing for they be used together with the building site to solve aging problems and degradation of structural elements. Among these materials, the one that come presenting good results to play this part, are the Fiber-Reinforced Polymers (FRP). Among these fibers are the carbon fiber and glass fiber which are be used with reinforced of beams. The present work has for objective to present the principal technical for lamination of the fibers to determine the mechanical properties of strength and stiffness of unidirectional fibers laminated with resin epoxy. This work used the recommendations of the code ASTM D Standard Test Method Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. Results are presented obtained for fabric of fiber of carbon and of glass fiber, that are important to base the application of these materials in the recovery of structures. Key words: Glass fiber, carbon fiber, strength and stiffness 1657