Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: Engenharia Civil

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1 FORMULÁRIO PR INSCRIÇÃO DE PROJETO DE INICIÇÃO CIENTÍFIC. Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: Engenharia Civil Curso (s) : Engenharia Civil de Joinville Nome do projeto: MODELGEM DS PROPRIEDDES MECÂNICS DE RGMSSS TRNSLÚCIDS TRVÉS DE PLNEJMENTO FTORIL 3 Nome do professor orientador: HELEN RVCHE SMY PEREIR Nome do professor co-orientador: Nome do coordenador(a) do Curso: Helena Ravache Sam Pereira Para a Fundação Educacional Regional Jaraguaense FERJ mantenedora do Centro Universitário - Católica de Santa Catarina em Jaraguá do Sul e em Joinville encaminhamos anexo Projeto de Iniciação Científica a ser submetido ao Edital nº.../015 Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica PIBIC do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPQ e declaramos nosso interesse e prioridade conferida ao desenvolvimento do projeto ora proposto assim como nosso comprometimento de que serão oferecidas as garantias necessárias para sua adequada execução incluindo o envolvimento de equipe utilização criteriosa dos recursos previstos e outras condições específicas definidas no formulário anexo. Joinville 17 de junho de 016. Professor orientador Professor coorientador Coordenador do Curso 1

2 DESCRIÇÃO DO PROJETO Título do Projeto: Modelagem das Propriedades Mecânicas de rgamassas Translúcidas através de Planejamento Fatorial 3 Resumo do Projeto Tipo de Projeto ( 1 meses ) (X) presentado pelo professor; Tendo em vista aspectos de iluminação nas edificações residenciais e comerciais um dos temas conflitantes na atualidade é a questão da iluminação versus resistência. Neste contexto o estudo de materiais inovadores na construção civil faz-se necessário para aprimorar propriedades mecânicas baixar o consumo de energia e até mesmo proporcionar novos efeitos estéticos. Este projeto de pesquisa tem como objetivo modelar estatisticamente as propriedades mecânicas de argamassas translúcidas com fibra ótica através do uso de planejamento fatorial 3. Será adotado um planejamento fatorial no sistema 3 que tem dois fatores. Os dois fatores serão o traço pré-fixado para argamassa e o teor de fibra ótica incorporada na mistura. O planejamento estatístico permite eficiência e economia no processo experimental e otimização e de análise de resultados. Palavras-chave: rgamassas translúcidas planejamento fatorial propriedades mecânicas Problematizacão Segundo Huber (010) um dos grandes conflitos na atualidade se apresenta na hora de planejar uma estrutura é o tema da resistência versus iluminação. Diante desta problemática surgem propostas de criação de materiais inovadores como materiais cimentícios translúcidos com a incorporação de fibras óticas. O acesso da luz natural em uma edificação pode acontecer através de vidros ou ainda através de outros materiais geralmente não resistentes aos esforços mecânicos. O uso de materiais cimentícios translúcidos permite certa privacidade e pode reduzir o consumo de energia elétrica minimizando a necessidade de lâmpadas acessas durante o dia. Justificativa O projeto de pesquisa visa a incorporação de fibras óticas para que haja a transmissão de luz pela argamassa mista de cimento e cal. s fibras óticas poliméricas são as mais adequadas para serem incorporadas aos materiais cimentícios segundo Huber (010). o tornar as paredes de uma edificação translúcidas com a fibra óptica o aproveitamento da luz natural se dá de forma eficaz e ecológica diminuindo assim a necessidade da luz elétrica. Deste modo além de aproveitar o meio ambiente sem poluí-lo nem modificá-lo o custo de energia elétrica anual diminui significativamente. Para que o uso de argamassas translúcidas seja seguro do ponto de vista técnico é necessário analisar as propriedades mecânicas da argamassa de forma eficiente com uma proposta de experimentos estatisticamente planejados de tal modo que garanta um análise crítica dos resultados encontrados. Objetivo Geral: Modelar estatisticamente as propriedades mecânicas de argamassas com fibra ótica através do uso

3 de planejamento fatorial 3 possibilitando o conhecimento técnico científico sobre as propriedades de materiais cimentícios translúcidos. Objetivos específicos s etapas que devem ser cumpridas para se atingir o objetivo geral são: Formular um planejamento fatorial 3 para a resistência à tração na flexão e à compressão; Determinar a consistência e plasticidade da argamassa; Determinar a resistência à tração na flexão da argamassa; Determinar a resistência à compressão da argamassa; Gerar informações gráficas e metodológicas através do uso de programa estatístico; Modelar estatisticamente as propriedades resistência à tração na flexão e à compressão. Metodologia metodologia do projeto de pesquisa pode ser resumido em quatro etapas (ver Quadro 01) e deverá ser acompanhado de revisão bibliográfica. Quadro 01 Etapas da pesquisa Etapa Descrição 1 Definição do planejamento de experimentos Preparo da mistura e determinação da consistência das argamassas 3 Moldagem adensamento e cura dos corpos-de-prova prismáticos 4 Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão das argamassas 5 Obtenção de informações gráficas e metodológicas através de programa estatístico 6 Produção de texto científico Fonte: autora Definição do planejamento de experimentos O planejamento de experimentos que será utilizado neste projeto de pesquisa é o planejamento o fatorial com dois fatores. 1.1 Planejamento de experimentos fatoriais com dois fatores análise de variância é aplicada em planejamento fatorial de experimentos. Em um planejamento fatorial cada tentativa completa ou réplica do experimento todas as combinações possíveis dos níveis dos fatores são investigadas (MONTGOMERY e RUNGER 003). O tipo mais simples de experimento fatorial envolve dois fatores como e B. Há a níveis do fator e b níveis do fator B. tabela 01 mostra o arranjo dos dados para um planejamento fatorial com dois fatores. O experimento tem n réplicas e cada réplica contêm todas as ab combinações dos tratamentos. observação na ij-ésima célula para a k-ésima réplica é denotada por ijk. Na realização do experimento as abn observações seriam corridas em uma ordem aleatória ou seja o fatorial com dois fatores é um planejamento completamente aleatorizado. 3

4 Tabela 01 rranjo dos dados para um planejamento fatorial com dois fatores Planejamento Fator B fatorial fatores 1... b Totais Médias Fator n 11 11n n n 1 1b1... b1... 1bn 1b bn b Totais Médias a a a1n a1 a an a ab1 ab....b..b. Fonte: Montgomer e Runger 003 abn a..... a..... s observações podem ser descritas pelo modelo estatístico linear: Y ijk i 1... a i j ( ) ij ijk j 1... b (1) k 1... n Sendo o efeito médio global nível do fator B ( ) IJ i o efeito da iteração entre e B e o efeito do i-ésimo nível do fator j o efeito do j-ésimo é um componente de erro aleatório. análise de variância será usada para testar as hipóteses de nenhum efeito de interação para o fator nenhum efeito principal para B e nenhum efeito de interação para o fator B. 1. nálise de variância para o modelo com efeitos fixos ) IJ Segundo Montgomer (1997) no modelo de efeitos fixos os efeitos dos tratamentos ( são geralmente definidos como desvios da média de modo que 0 0 a i1 ( ) 0 e ( ) 0. ij b j 1 ij análise de variância é usada para testar as hipóteses dadas a seguir: 1. H : 1 a H : no mínimo um 0 1 i ij a i1 i b j1 i j j 4

5 . H... 0 () 0 : 1 b H 1: no mínimo um j 0 3. H ( ) ( )... ( ) 0 0 : 11 1 ab H 1: no mínimo um ( ) 0 ij análise de variância testa essas hipóteses pela decomposição da variabilidade total nos dados em partes componentes comparando então os vários elementos nessa decomposição. tabela 0 mostra a tabela de análise de variância para um fatorial com dois fatores modelo de efeitos fixos. Tabela 0 Tabela de análise de variância para um fatorial com dois fatores modelo de efeitos fixos Fonte de Soma Graus de Média quadrática variação quadrática liberdade F0 SQ a 1 SQ tratamentos a B tratamentos Interação SQ B SQ B b 1 ( a 1)( b 1) B B 1 SQB b 1 SQB ( a 1)( b 1) E B E B E Erro Total SQ E T ab ( n 1) SQ abn 1 Fonte: Montgomer e Runger 003 E SQE ab( n 1) s fórmulas de cálculo para as somas quadráticas em uma análise de variância com dois fatores são dadas a seguir: SQ T a b n i1 j1 k 1 ijk... abn (3) SQ a i bn i abn (4) SQ B b i. an j1.... abn (5) SQ T a b i1 j1 ij. n... SQ abn SQ B (6) 5

6 SQ E SQ SQ SQ SQ (7) T B B 1.3 Planejamento fatorial 3 O projeto fatorial mais simples no sistema 3 k é o projeto 3 que tem dois fatores cada um com três níveis. s combinações do planejamento experimental fatorial 3 podem ser observadas na figura 01. Figura 01- Combinações possíveis do planejamento fatorial 3 Fonte: Montegomer 1997 (adaptado) Este será o planejamento fatorial adotado neste projeto. Os dois fatores serão os tipos de traço e a porcentagem de fibra ótica adicionada. Os níveis do fator tipo de traço são três tipos de traços préfixados pela literatura utilizados em argamassas B e C. Já os níveis para a porcentagem de fibra ótica adicionado na argamassa em massa serão 0% 3% e 4%. Conforme tabela 03. Tabela 03 Combinações do planejamento fatorial 3 para as argamassas translúcidas Experimento Traço utilizado Teor de fibra ótica (%) B 00 5 B 30 6 B 40 7 C 00 8 C 30 9 C 40 Fonte: autora Verificação da adequação do modelo Segundo Montgomer (1997) a análise de variância considera que as observações sejam normal e independentemente distribuídas com a mesma variância para cada tratamento ou nível de fator. Essas suposições devem ser verificadas através do exame dos resíduos. Um resíduo é a 6

7 diferença entre uma observação estudado denotado como ij. CENTRO UNIVERSITÁRIO CTÓLIC DE SNT CTRIN ijk e seu valor estimado (ou ajustado) a partir do modelo estatístico. Para o planejamento completamente aleatório ˆ ij. ij. com cada resíduo sendo eijk ijk ij. ou seja a diferença entre uma observação e a média correspondente observada no tratamento. suposição de normalidade pode ser verificada pela construção de um gráfico de probabilidade normal dos resíduos. Para verificar a suposição de igualdade de variâncias em cada nível do fator é necessário plotar os resíduos contra os níveis do fator e comparar a dispersão dos resíduos. Preparo da mistura e determinação da consistência das argamassas O preparo da mistura e a determinação do índice de consistência está descrito da norma brasileira NBR 1376 (BNT 005). Cada mistura de acordo com o planejamento de experimentos deve ser preparada no misturador mecânico (argamassadeira). s argamassas de cal hidratada devem ser preparadas com antecedência de 4 horas. quantidade de água de amassamento será fixada com o objetivo de gerar argamassas plásticas. argamassa deverá ser pesada para acréscimo de água correspondente a perda por evaporação. pós este intervalo fixado pela norma o cimento deverá ser acrescentado na mistura que deverá ser novamente homogeneizada. pós a preparação da argamassa será realizado o ensaio para a determinação do índice de consistência através da mesa de consistência com acionamento elétrico. 3 Moldagem adensamento e cura dos corpos-de-prova prismáticos pós o preparo da mistura de cada argamassa com o molde prismático fixo à mesa de adensamento deve ser aplicada uma fina camada de óleo mineral nas faces internas do molde e posteriormente introduzido uma porção de argamassa em cada compartimento conforme orientações da NBR 1376 (005). O espalhamento da argamassa no molde deve ser feito com o auxílio do nivelador de camadas foi feito o espalhamento da argamassa no molde. Todos os corpos-de-prova devem ser moldados em formas prismáticas metálicas 4cmx4cmx16cm. pós a moldagem das argamassas ainda em estado fresco as fibras devem ser introduzidas manualmente. distribuição das fibras deverá ser transversal à base do molde como mostra a figura 0. Os corpos-de-prova devem ser desmoldados (48 ± 4) horas após a moldagem e a cura acontecerá ao ar livre. Figura 0 Moldagem dos corpos-de-prova com fibra ótica 7

8 Fonte: Uribe Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão norma brasileira NBR 1379 (BNT 005) indica o procedimento experimental para determinação da resistência à tração na flexão e à compressão. Devem ser preparados três corpos-deprova para cada uma das quatro misturas de argamassa com fibra ótica e mais três corpos-de-prova padrão sem fibra ótica para cada traço para verificação da resistência à tração na flexão e à compressão com 8 dias de idade. Para a determinação da resistência à tração na flexão o corpo-de-prova deve ser posicionado no dispositivo de apoio (ver Figura 03a) e posteriormente deve ser aplicada uma carga de (50±10)N/s até a ruptura na máquina universal do Laboratório de Ensaios Mecânicos da Católica de Joinville/SC. resistência à tração na flexão é calculada segundo a equação 08: R f 15 Ff L 3 40 (8) Onde: Rf: resistência à tração na flexão (MPa) Ff: carga aplicada verticalmente no centro do prisma (N) L: distância entre os suportes (mm) Para a determinação da resistência à compressão devem ser utilizadas as metades dos corpos-de prova do ensaio de flexão (ver Figura 03b) e a carga aplicada deve ser de (500±50)N/s até a ruptura na máquina universal do Laboratório de Ensaios Mecânicos da Católica de Joinville/SC Figura 03 Dispositivo de apoio para o ensaio de resistência à tração na flexão (a) e de resistência à compressão (b) (a) (b) 8

9 DISPOSITIVO CORPO-DE-PROV CORPO-DE-PROV DISPOSITIVO Fonte: Pereira 014 resistência à compressão é calculada segundo a equação 09: Fc Rc 1600 (9) Onde: Rc: resistência à compressão (MPa) Fc: carga máxima aplicada (N) resistência média será calculada considerando três corpos-de-prova ensaiados à tração na flexão e seis corpos-de-prova ensaiados à compressão. 5 Obtenção de informações gráficas e metodológicas através de programa estatístico Com o objetivo de gerar uma modelagem das propriedades mecânicas da argamassa translúcida será utilizado o programa estatístico STTISTIC 7.1 (StatSoft Inc. 006) que traz o planejamento de experimentos por planejamento fatorial entre seus módulos. 6 Produção de texto científico Para finalizar o projeto de pesquisa será produzido um texto científico com objetivo de publicação em congressos ou periódicos onde será feita a modelagem dos resultados referentes a caracterização mecânica da argamassa translúcida com fibra ótica. Texto limitado em 0 página 9

10 Fundamentação Teórica Desde a antiguidade o concreto e as argamassas vem sendo inovados através de tecnologias que criaram novos aditivos e adições. rgamassas com adição de fibra ótica sem a utilização de agregados graúdos foram estudadas segundo Henriques 013 (ver Figura 04). Figura 04: Parede de tijolos de argamassa translúcida. Fonte: HENRIQUES 013. O rquiteto húngaro Áron Losonczi foi pioneiro no desenvolvimento de forma viável e eficaz do concreto translúcido conhecido inicialmente por LiTraCon ( Light Transmiting Concrete) como mostra a figura 05 material que tem resistência mecânica semelhante ao convencional. O concreto translúcido nova tecnologia que tem fibra ótica em sua composição e permite a utilização da luz natural dentro dos ambientes (RÚJO pud LIM et al 014). Figura 05: Laje com concreto translúcido. 10

11 Fonte: Revista Lume 011 De acordo com a Revista Lume (011) pode-se utilizar o concreto translúcidos em paredes espessas que luz continua sendo transmitida com total eficiência deste modo é possível utilizar a luz pública para iluminar o interior das casas ou até mesmo a luz das casas para garantir a segurança na rua. Para comercialização do concreto translúcido podem ser fabricados blocos ou painéis préfabricados de 30m x 60 cm e espessura variável contendo de 4% a 6% de fibra óptica. Deste modo já conseguiu-se uma resistência a compressão de 70 MPa (LIM et al 014). quantidade de luz que passa pelo concreto ou argamassa é diretamente proporcional a área total das fibras ópticas contidas dependendo também da rugosidade da superfície nas seções (ZHOU ZHI et al 006). Kashiani et al (013) estudou o concreto translúcido como estética e analisou o consumo de energia elétrica verificando suas propriedades físicas. O objetivo da utilização desse tipo de concreto é substituir parcialmente a energia elétrica pela luz solar reduzindo assim o consumo elétrico. Deste modo pode-se concluir que o material não perde resistência se comparado ao concreto comum e garante com eficácia a energia verde. Já para Uribe (010) o material perde significativamente as propriedades de resistência à tração e flexão bem como o módulo de elasticidade com a adição de fibras óticas em argamassas de cimento e cal. 3. CRONOGRM DE EXECUÇÃO ETP OU FSE DO PROJETO Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses 11

12 Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses Término Semanas e meses Formular um planejamento fatorial 3 para a resistência à tração na flexão e à compressão Determinar a consistência e plasticidadedas argamassas Definição do planejamento de experimentos Preparo da mistura e determinação da consistência das argamassas Determinar a resistência Determinação da à tração na flexão das resistência à tração na argamassas flexão e à compressão das argamassas Determinar a resistência Determinação da à compressão das resistência à tração na argamassas flexão e à compressão das argamassas Gerar informações gráficas e metodológicas através do uso de programa estatístico Obtenção de informações gráficas e metodológicas através de programa estatístico Produção de texto científico Modelar Obtenção de estatisticamente as informações gráficas e propriedades resistência metodológicas através à tração na flexão e à de programa estatístico compressão Produção de texto científico -Revisão bibliográfica -Realizar testes experimentais com diversos traços préfixados -Revisão bibliográfica. -Produzir as misturas com os materiais constituintes disponíveis -Determinar a consistência das argamassas -Revisão bibliográfica. - Realizar a determinação da resistência à tração na flexão através do ensaio proposto pela norma técnica - Revisão bibliográfica. - Realizar a determinação da resistência à compressão através do ensaio proposto pela norma técnica -Revisão bibliográfica. -Conhecer o uso do programa estatístico proposto -nalisar os resultados da propriedade mecânica das argamassas translúcidas -Produzir texto científico. Revisão bibliográfica. -Conhecer o uso do programa estatístico proposto -Modelar estatísticamente os resultados da propriedade mecânica das argamassas translúcidas -Produzir texto científico. 01/09/016 01/10/016 01/10/016 01/11/016 01/10/016 01/1/016 01/10/016 01/1/016 01/1/016 01/09/017 01/1/016 01/09/017 1

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14 4. REFERÊNCIS RÚJO pud LIM et al. O concreto translúcido: Caracteristicas e aplicações. 14º Congreso Nacional de Iniciação Científica. CONIC- SMESP SSOCIÇÃO BRSILEIR DE NORMS TÉCNICS - BNT. NBR 1376: rgamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos Preparo da mistura e determinação de índice de consistência. Rio de Janeiro 005. SSOCIÇÃO BRSILEIR DE NORMS TÉCNICS - BNT. NBR 1379: rgamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão. Rio de Janeiro 005. SSOCIÇÃO BRSILEIR DE NORMS TÉCNICS - BNT. NBR NM 48:003: gregados Determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro 003. SSOCIÇÃO BRSILEIR DE NORMS TÉCNICS - BNT. NBR NM 46: gregados Determinação do material fino que passa através da peneira 75 µm por lavagem. Rio de Janeiro 003. SSOCIÇÃO BRSILEIR DE NORMS TÉCNICS - BNT. NBR NM 49: gregado miúdo Determinação de impurezas orgânicas. Rio de Janeiro 001. SSOCIÇÃO BRSILEIR DE NORMS TÉCNICS - BNT. NBR NM 5: gregado miúdo Determinação da massa específica e massa específica aparente. Rio de Janeiro 009. HENRIQUES T. S. nálise da influência da fibra óptica polimérica inserida em blocos de argamassa. Programa de pós-graduação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto legre 013. KSHIYNI et al. stud on transparent concrete: novel architectural material to explore construction sector. International journal of engineering and innovative technolog. 013 LIM et al. O concreto translúcido: Caracteristicas e aplicações. 14º Congreso Nacional de Iniciação Científica. CONIC- SMESP MONTGOMERY D. C. Design and analsis of experiments. US: John Wile and Sons p. MONTGOMERY D. C.; RUNGER G. C. Estatística aplicada e probabilidade para engenheiros. Rio de Janeiro: LTC p. 14

15 PEREIR Helena Ravache Sam. Proposta de formulação de argamassas para assentamento e revestimento de paredes e tetos com incorporação de pó de exaustão de fundição Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais Área: Cerâmicas) Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Joinville 014. REVIST LUME. Concreto translúcido: Uma revolução na arquitetura e iluminação. Por Igor San Martin Isla. Disponível em: cessado em mai 015. URIBE L. J. M. Desenvolvimento e avaliação de argamassa translúcida com fibra ótica polimérica. Programa de pós-graduação da Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis 010. ZHOU Z. Et al. Research and development of plastic optical fiber based smart transparent concrete. Proceedings of SPIE