ANÁLISE DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE PERFIS RETANGULARES DE MADEIRA PLÁSTICA....
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ANÁLISE DO COMPORTAMENTO
MECÂNICO DE PERFIS RETANGULARES
DE MADEIRA PLÁSTICA
(WOOD PLASTIC COMPOSITE)
Julio Cesar Molina
Marcelo Rodrigo Carreira
Carlito Calil Junior
Departamento de Engenharia de Estruturas, EESC-USP,
e-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo
No Brasil, o uso de perfis de madeira plástica vem ganhando espaço no cenário da construção civil. Esse material é
formado basicamente pela mistura de madeira, materiais plásticos recicláveis e fibras vegetais, cujo produto final
apresenta características visuais semelhantes à madeira convencional. Neste artigo analisa-se o comportamento de
perfis de madeira plástica através de ensaios de caracterização. São determinados os valores do módulo de elasticidade
na flexão, das resistências à compressão, à tração e ao cisalhamento, além da densidade do material que compõe os
perfis. Os resultados apresentados mostram que a madeira plástica analisada é uma boa alternativa técnica, principalmente
com relação às solicitações de tração normal e cisalhamento, quando comparada com as madeiras sólidas de coníferas
e folhosas listadas na norma brasileira de madeiras NBR 7190/1997, podendo assim ser utilizada em diversas aplicações.
Palavras-chave: madeira plástica, ensaios de caracterização, resistência do material.
Introdução
Com os avanços tecnológicos e a competitividade
do mercado torna-se necessária a busca de melhorias na
qualidade dos produtos industrializados, destinados à
construção civil. Nesse cenário, voltado para a modernidade
e maior qualidade dos materiais, observa-se que a tecnologia
tem ampliado a gama de novos produtos derivados da
madeira, seja em diferentes formas ou na combinação
com outros materiais, associada à busca de benefícios
ambientais, mas sempre visando ao melhor desempenho
do produto para o fim a que se destina. A madeira plástica,
também conhecida no meio técnico como wood plastic
composite, corresponde a uma dessas tecnologias e, segundo
seus fabricantes, pode-se dizer que é um produto moderno
e ecologicamente correto. Trata-se de um composto que
envolve duas ou mais matérias-primas, originado da mistura
de madeira, materiais recicláveis como resíduos de diversos
tipos de plásticos e fibras vegetais. Essa mistura é obtida
a partir da utilização de tecnologia industrial. Desse processo
resultam peças que podem imitar e, em alguns casos,
substituir a madeira natural, reduzindo o corte de árvores
e permitindo o uso de resíduos, contribuindo, neste segundo
caso, para a limpeza do meio ambiente. A madeira plástica
é comercializada na forma de perfis com seções transversais
com tipos e dimensões diferenciadas, podendo apresentar
características diferentes de um fabricante para outro.
As propriedades físicas e mecânicas dos perfis de madeira
plástica dependerão da quantidade de resíduos, fibras
vegetais e de madeira utilizada em sua composição. Portanto,
a madeira plástica nasce e se desenvolve como produto
da preocupação com o meio ambiente. É importante ressaltar
que esse material já é utilizado em outros países,
principalmente nos EUA.
Principais Características, Vantagens e
Aplicações da Madeira Plástica
Segundo Tavares et al. (2007), a madeira plástica
pode ser cortada, pregada, parafusada e fixada a partir
da utilização de resinas epóxi. Apresenta algumas vantagens
em comparação com a madeira serrada convencional:
não racha, não solta ferpas, é resistente a corrosão, é
imune a pragas, cupins e roedores, não requer elementos
de proteção como vernizes e seladores e pode ser limpa
com água e sabão. Além disso, a madeira plástica apresenta
excelente performance em ambientes úmidos por não
absorver umidade. Nesse contexto, observa-se que, no
âmbito da construção civil, a madeira plástica pode
ser perfeitamente utilizada como elemento de sustentação,
decks, pallets, entre outras aplicações como formas,
móveis, batentes, portões e cercas. A madeira plástica,
de maneira geral, é recomendada para estruturas que
necessitem de praticidade, resistência e pouca manutenção.
Na Figura 1 estão apresentadas algumas aplicações da
madeira plástica.
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a) Pallets industriais
b) Deck para piscina
c) Móveis para áreas externas
Figura 1 Exemplos da aplicação da madeira plástica. Fonte: Tavares et al., 2007.
Os ensaios de caracterização apresentados neste
artigo foram realizados em perfis de madeira plástica
no Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeiras
da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade
de São Paulo (EESC-USP). Os referidos perfis foram
fornecidos pela empresa Deutschsul Ecowood Indl Ltda.
A partir dos ensaios de caracterização realizados, foram
determinados os valores médios das seguintes propriedades
para o material analisado: módulo de elasticidade (MOE)
na flexão na direção de menor inércia do perfil, resistência
média à compressão (fc0) na direção longitudinal do
perfil, resistências à tração (ft0 e ft90) para as duas maiores
direções ortogonais do perfil, resistências ao cisalhamento
(fv0, fv90 e fvh) nas três direções ortogonais do perfil e
densidade (ñ) do material. Os valores característicos
de resistência também foram determinados para cada
caso analisado. Os resultados apresentados neste artigo
enriquecerão a literatura nacional sobre o assunto que,
atualmente, no Brasil, encontra-se em fase de desenvolvimento.
Materiais e Métodos
Todos os ensaios de caracterização do material foram
realizados em um total de seis amostras retiradas de seis
perfis de madeira plástica, de seção transversal retangular,
com dimensões de 25 mm × 100 mm e comprimento de
3000 mm. Os detalhes dos referidos perfis, com suas
dimensões reais, estão apresentados na Figura 2.
a) Perfis de madeira plástica
fornecidos para caracterização
Segundo a empresa Deutschsul Ecowood Indl Ltda.,
fornecedora dos perfis de madeira plástica analisados
neste artigo, os materiais utilizados na composição dos
mesmos são serragem, polímeros de polietileno,
polipropileno, poliestireno e outros com características
semelhantes na ordem de 60% a 70%, agregados a uma
carga vegetal (casca de arroz) na ordem de 30% a 40%,
produzidos termoplasticamente por alta pressão. A massa
oriunda do processo é comprimida com até 1000 kg/
cm2 em um molde para dar a forma desejada ao perfil. O
molde, uma vez preenchido, passa para a fase de
resfriamento, na qual se obtém a termofixação das moléculas,
tendo-se assim um perfil formado e estável.
Execução dos ensaios e equipamentos utilizados
Para a condução dos ensaios de flexão estática, de
compressão, de tração na direção da largura “b” da seção
transversal (conforme indicado na Figura 4) e de
cisalhamento nas três direções ortogonais do perfil, foi
utilizada a máquina AMSLER, com capacidade de 25
kN (2500 kgf).
As medidas das flechas, no meio dos vãos das
amostras, nos ensaios de flexão estática, foram feitas
com um transdutor de deslocamento (relógio comparador)
com precisão de 0,01 mm e percurso máximo de 50 mm.
Os ensaios de tração, na direção longitudinal dos
perfis, foram realizados na máquina METRIGUARD,
com capacidade de 80 kN (8000 kgf).
b) Detalhes da seção transversal
dos perfis e textura do material
Figura 2 Perfis de madeira plástica com dimensões 25 × 100 × 3000 mm para os ensaios de caracterização.
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Para a determinação da densidade do material utilizouse uma balança eletrônica de precisão, da marca ACATEC,
com capacidade de 3x10-2 kN (3 kgf). As medidas das
dimensões das amostras para cada um dos diferentes ensaios
realizados foram efetuadas com utilização de um paquímetro
digital, da marca MITUTOYO, com percurso máximo
de 15 cm e também a partir da utilização de uma trena
métrica.
Os valores de referência para as amostras dos ensaios
de caracterização da madeira plástica foram determinados
previamente a partir de ensaios em amostras gêmeas,
como sugerido pela norma de madeiras NBR 7190/1997.
Ensaios de flexão estática
Inicialmente, verificou-se a possibilidade de
determinação do módulo de elasticidade (MOE) na flexão,
a partir do ensaio não destrutivo de vibração transversal.
No entanto, observou-se, neste caso, que a frequência
de vibração do perfil de madeira plástica não atingiu o
valor mínimo necessário para a determinação do referido
módulo, inviabilizando o ensaio. A opção inicial pelo
ensaio de vibração transversal, na determinação do módulo
de elasticidade do material, teve por principal objetivo
a estimativa preliminar do referido parâmetro, a partir
da consideração das dimensões originais do perfil 25 x
100 × 3000 mm e da grande flexibilidade do material
analisado.
O módulo de elasticidade (MOE) foi posteriormente
obtido por meio do ensaio de flexão estática, sendo que
a) Esquema geral do ensaio
de vibração transversal
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os referidos ensaios, neste caso, foram realizados em
amostras com dimensões aproximadas de 25 x 100 x 60
mm. Essas dimensões foram admitidas para as amostras
com a finalidade de eliminar o efeito da deformação por
cisalhamento na parcela total do deslocamento vertical
(flecha) no meio do vão da amostra. Neste caso, a distância
entre os apoios da amostra foi de aproximadamente vinte
vezes a altura do perfil. O carregamento, no ensaio de
flexão estática, concentrado no meio do vão, foi aplicado
a uma taxa de 10 MPa/min, conforme indicações da NBR
7190/1997. O módulo de elasticidade (MOE), para o ensaio
de flexão estática, foi obtido a partir da equação (1).
(1)
em que:
ΔP = variação da carga concentrada aplicada no meio
do vão;
L = distância entre apoios;
Δf = variação da flecha no meio do vão;
I = momento de inércia da seção transversal da amostra
(b × h3/12, ver Figura 4).
Um esquema geral do ensaio de flexão estática,
realizado para determinação do módulo de elasticidade
(MOE), está apresentado na Figura 4. A distância “L”
(correspondente à direção longitudinal do perfil), entre
os apoios, considerada neste caso foi de 50 cm. A distância
entre cada apoio da amostra e sua respectiva extremidade
foi de aproximadamente 10 cm.
b) Perfil biapoiado, posicionado
para o ensaio de vibração
c) Sistema de aquisição de
dados do ensaio de vibração
Figura 3 Detalhes do ensaio de vibração transversal do perfil com dimensões originais 25 × 100 × 3000.
P
h
b
Transdutor de deslocamento
Seção do perfil
L
Figura 4 Esquema geral do ensaio de flexão estática com carga aplicada no centro do vão da amostra.
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Durante os ensaios de flexão estática foram
registradas nove diferentes medidas de deslocamento
vertical no meio do vão “L”, para cada uma das amostras
analisadas, sendo essas medidas correspondentes a cada
um dos níveis de força “P” aplicados no ensaio. A
força “P” máxima, aplicada neste caso, correspondeu
a 1429,60 N (142,9 kgf), e os deslocamentos verticais,
a) Amostras para os ensaios de
flexão estática com dimensões
25 x 100 x 60 mm
no meio do vão, foram medidos a cada 158,8 N (15,88
kgf). As amostras utilizadas para a determinação do
módulo de elasticidade, a partir dos ensaios de flexão
estática, e as amostras utilizadas para a determinação
da densidade do material foram as mesmas. As dimensões
obtidas para as referidas amostras estão apresentadas
na Tabela 1.
b) Aplicação da força e medida dos
deslocamentos verticais no meio do
vão da amostra
Figura 5 Detalhes das amostras utilizadas e da realização dos ensaios de flexão estática.
Tabela 1 Dimensões das amostras para os ensaios de flexão estática e densidade.
Tabela 2 Flechas obtidas nos ensaios de flexão estática para as forças “P” aplicadas.
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Ensaios de compressão
Os ensaios de compressão, na direção longitudinal
dos perfis, foram realizados em amostras com comprimentos
aproximados de 75 mm (três vezes a altura h da seção
transversal do perfil) e seção transversal com dimensões
aproximadas de 25 × 100 mm. A força de compressão
foi aplicada, neste caso, até a perda total de resistência
da amostra, o que caracterizou a sua ruptura. A resistência
à compressão (fc0) foi obtida pela relação entre a força
de ruptura (Pc0), obtida no ensaio de compressão, e a
área (Ac0) da seção transversal da amostra.
Ensaios de tração
Os ensaios de tração, na direção longitudinal dos
perfis, foram realizados em amostras com comprimentos
aproximados de 2000 mm e seção transversal com
dimensões aproximadas de 25 mm x 100 mm. O equi-
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pamento utilizado no ensaio, neste caso, trabalha
basicamente por atrito e pressão, aplicados nas garras
das amostras, de modo que a ruptura do material fica
condicionada à região central da amostra, como apresentado
na Figura 7b. A resistência à tração (ft0), neste caso, foi
obtida pela relação entre a força de ruptura (Pt0), obtida
no referido ensaio, e a área (At0) da seção transversal
considerada para a amostra.
Os ensaios de tração, na direção da largura “b” do
perfil, foram realizados em amostras com áreas da seção
transversal (At90) com trecho central cujas dimensões
são aproximadamente de 25 mm × 30 mm. A direção
indicada na amostra da Figura 8a corresponde à direção
longitudinal do perfil. A resistência à tração (ft90), neste
caso, foi obtida pela relação entre a força de ruptura (Pt90),
obtida no ensaio de tração na referida direção, e a área
(At90) da seção transversal considerada para a amostra.
Figura 6 Amostras utilizadas no ensaio de compressão na direção longitudinal do perfil.
Tabela 3 Dimensões e áreas das amostras para os ensaios de compressão longitudinal
(a) Equipamento utilizado no ensaio
de tração das amostras analisadas
(b) Vista superior da amostra de 2000 mm
posicionada para o ensaio de tração
Figura 7 Detalhes da realização do ensaio de tração na direção longitudinal do perfil.
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Tabela 4 Dimensões e áreas das amostras para os ensaios de tração longitudinal.
(a) Amostra utilizada
no ensaio de tração na
direção “b” do perfil
(b) Detalhe do ensaio
de tração na direção da
largura “b” do perfil
Figura 8 Detalhes da amostra utilizada e da realização do ensaio de tração na direção da largura “b”
que é normal à direção longitudinal L do perfil.
Tabela 5 Áreas das amostras para os ensaios de tração na direção da largura “b”.
Determinação da densidade
Para a determinação da densidade do material,
as amostras foram pesadas e suas dimensões medidas.
Alguns detalhes da quantificação dos parâmetros
necessários à determinação da densidade estão apresentados na Figura 9.
(a) Pesagem das amostras
As densidades das amostras dos perfis foram obtidas
a partir da equação (2).
(2)
em que m = massa da amostra; V = volume da amostra.
(b) Medida das dimensões das amostras
Figura 9 Quantificação dos parâmetros necessários à determinação da densidade do material.
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Tabela 6 Massas e volumes das amostras para determinação da densidade.
Ensaios de cisalhamento
Os ensaios de cisalhamento foram realizados
inicialmente em amostras com plano de seção de corte
crítica, na direção do comprimento “L” do perfil. A área
de corte (Av0) considerada foi de aproximadamente 10
cm2. A resistência (fv0), neste caso, foi obtida pela relação
entre a força de ruptura (Pv0), obtida no respectivo ensaio
de cisalhamento, e a área (Av0) do plano de corte considerado
para a amostra. Para a segunda direção ortogonal do perfil
(direção “b”), perpendicular à direção longitudinal, a
resistência ao cisalhamento (fv90) foi obtida pela relação
entre a força de ruptura (Pv90) obtida no ensaio de cisalhamento
na referida direção e a área (Av90) do plano de corte na
direção da largura “b”, considerado, neste caso, para a
amostra. Para a terceira e menor das três dimensões do
perfil, correspondente à altura “h”, a resistência ao
cisalhamento (fvh) foi obtida pela relação entre a força de
ruptura (Pvh), obtida no ensaio de cisalhamento na direção
“h”, e a área (Avh) do plano de corte considerado na direção
“h”. Os detalhes das amostras utilizadas nos ensaios de
cisalhamento, para as três direções ortogonais do perfil,
estão apresentados na Figura 10. Os detalhes dos ensaios
de cisalhamento em andamento, para as três direções
ortogonais do perfil, estão apresentados na Figura 11.
a) Amostra para o ensaio na
b) Amostra para o ensaio na
direção longitudinal do perfil “L”
direção da largura “b”
c) Amostra para o ensaio na
direção da altura “h”
Figura 10 Detalhes da amostras para os ensaios de cisalhamento nas três direções ortogonais do perfil.
a) Cisalhamento da amostra
na direção longitudinal L do perfil
b) Cisalhamento da amostra
na direção b do perfil
b) Cisalhamento da amostra
na direção h do perfil
Figura 11 Detalhes do ensaio de cisalhamento das amostras nas três direções ortogonais do perfil.
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Tabela 7 Áreas do plano de corte das amostras para os ensaios de cisalhamento.
Resultados e Discussões
O valor médio da resistência à compressão (fc0), na
direção longitudinal dos perfis de madeira plástica, foi de
aproximadamente 40 MPa, sendo o valor característico (fc0k),
neste caso, igual a 28MPa. As rupturas das amostras dos
perfis de madeira plástica, ensaiadas na compressão, se deram
por esmagamento na direção da aplicação da força.
O valor médio da resistência à tração (ft0), para a
direção longitudinal dos perfis analisados, foi de aproximadamente 18,43 MPa. O valor da resistência característica
(ft0k), neste caso, foi de aproximadamente 12,90 MPa. Para
a direção da largura “b” (perpendicular à direção longitudinal
“L”), a resistência à tração (ft90) foi de aproximadamente
14,13 MPa, sendo a resistência característica (ft90k) de 10,00
MPa. Observou-se, para ambos os ensaios de tração
realizados, ruptura frágil do material.
Os comportamentos das amostras, a partir das forças
aplicadas nos ensaios estáticos de flexão estática, estão
apresentados na Figura 12.
A madeira plástica analisada apresentou comportamento não-linear com grande deformabilidade na flexão
e, mesmo quando ultrapassado o estado limite de utilização
de L/200, dado para a madeira convencional segundo a
NBR7190/1997, não foi observada ruptura do material
por flexão. Além disso, o material analisado apresentou
deformação residual quando da retirada do máximo
carregamento “P” aplicado na flexão.
O valor médio obtido para o módulo de elasticidade
da madeira plástica, nos ensaios de flexão estática, a partir
da equação (1), foi de aproximadamente 1314 MPa.
160
Força aplicada (kgf)
140
120
Amostra 01
100
Amostra 02
Amostra 03
80
Amostra 04
60
Amostra 05
40
Amostra 06
20
0
0
1
2
3
Flecha no meio do vão (cm)
Figura 12 Comportamentos das amostras dos perfis ensaiadas nos ensaios de flexão estática.
a) Deformação do perfil para a
b) Vista superior da amostra
força máxima aplicada no ensaio após a retirada do carregamento
c) Deformação residual após a
retirada do carregamento
Figura 13 Detalhes das deformações das amostras obtidas a partir dos ensaios de flexão estática.
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Tabela 8 Forças de ruptura e resistências obtidas nos ensaios de compressão.
Figura 14 Detalhes do ensaio de compressão na direção longitudinal “L” do perfil.
Tabela 9 Forças de ruptura e resistências obtidas a partir dos ensaios de tração.
(a) Ruptura para solicitação
de tração na direção
longitudinal L do perfil
(b) Ruptura para solicitação
de tração na direção da
largura “b” do perfil
Figura 15 Modos de ruptura observados nos dois ensaios de tração realizados.
Tabela 10 Valores das densidades das amostras de madeira plástica ensaiadas.
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O valor médio, obtido para a densidade da madeira
plástica, foi de aproximadamente 930 kgf/m3.
Os resultados de resistência obtidos a partir dos ensaios
de cisalhamento para as três direções ortogonais dos perfis
de madeira plástica estão apresentados na Tabela 11.
Os valores médios das resistências ao cisalhamento
(fv0, fv90 e fvh) nas direções longitudinais, na largura “b”
e na direção da altura “h” foram, respectivamente, de
19,58 MPa, 17,32 MPa e 16,76 MPa, sendo os valores
característicos (fv0k, fv90k e fvhk) correspondentes a cada
uma dessas resistências de 13,71MPa, 12,12 MPa e 11,73
MPa, respectivamente. A madeira plástica apresentou
ruptura dúctil para os três casos de cisalhamento analisados.
A resistência característica ao cisalhamento da
madeira plástica foi praticamente homogênea para as
três direções ortogonais do material, com valor médio
característico aproximado de 12,52 MPa.
A partir dos valores comparativos apresentados
nas Tabelas 12 e 13, e tomando por base a classe de
resistência C20, tanto para as coníferas quando para as
dicotiledôneas, observou-se que os valores característicos
de resistência, obtidos para a madeira plástica, foram
maiores na compressão e no cisalhamento. O valor médio
obtido para a densidade da madeira plástica também
foi maior quando comparado aos valores fornecidos
para as madeiras sólidas. Porém, o valor da densidade
está relacionado com a resistência específica (resistência/
peso) do material. Além disso, o valor médio obtido
para o módulo de elasticidade na flexão da madeira
plástica foi menor que o módulo de elasticidade médio
das coníferas e dicotiledôneas na direção das fibras das
madeiras.
Considerações Finais
Os perfis de madeira plástica analisados apresentaram
elevada deformabilidade na flexão. Portanto, o dimensionamento dos perfis de madeira plástica na flexão deve
ser condicionado a limitações da flecha. Para os estados
limites de utilização, a flecha do perfil deve ser limitada
em L/360.
Com relação à resistência à compressão, a madeira
plástica analisada correspondeu à classe de resistência
C25, no caso das coníferas, e à classe C20, no caso das
dicotiledôneas. A madeira plástica apresentou, ainda,
resistência específica equivalente às dicotiledôneas de
classe C20.
Com relação à resistência ao cisalhamento, a madeira
plástica apresentou bom comportamento, com homogeneidade da resistência nas três direções ortogonais do
material e ruptura do tipo dúctil. Nas coníferas e
dicotiledôneas, a ruptura, no caso da solicitação ao
cisalhamento, é do tipo frágil. A resistência do cisalhamento
da madeira plástica foi da ordem de três vezes maior
que a resistência das coníferas e dicotiledôneas de classe
C20, sendo, portanto, indicada em situações de solicitações
críticas ao cisalhamento.
Tabela 11 Forças de ruptura e resistências obtidas nos ensaios de cisalhamento.
a) Cisalhamento na direção
longitudinal “L”do perfil
b) Cisalhamento na
direção “b” do perfil
c) Cisalhamento na
direção “h” do perfil
Figura 16 Modos de ruptura observados nos dois ensaios de cisalhamento realizados.
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Tabela 12 Comparação entre as classes de resistência das coníferas.
Tabela 13 Comparação entre as classes de resistência das dicotiledôneas (folhosas).
Agradecimentos – Agradecemos a Deutschsul Ecowood
Indl Ltda. pelo fornecimento das amostras dos perfis de
madeira plástica para os ensaios.
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