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i UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA ANÁLISE DE LIGAÇÃO MECÂNICA EM COMPÓSITO POLIMÉRICO REFORÇADO COM TECIDO DE FIBRAS DE SISAL Vanessa Rodrigues Campos Salvador 2016
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA
ANÁLISE DE LIGAÇÃO MECÂNICA EM COMPÓSITO POLIMÉRICO
REFORÇADO COM TECIDO DE FIBRAS DE SISAL
Vanessa Rodrigues Campos
Salvador
2016
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA
ANÁLISE DE LIGAÇÃO MECÂNICA EM COMPÓSITO POLIMÉRICO
REFORÇADO COM TECIDO DE FIBRAS DE SISAL
Vanessa Rodrigues Campos
Dissertação apresentada ao
mestrado em Engenharia Ambiental Urbana
como requisito parcial à obtenção do título
de MESTRE EM ENGENHARIA
AMBIENTAL URBANA.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Fernandes Carvalho
Coorientador: Prof. Dr. Eduardo Parente Prado
Agência Financiadora: Fapesb
Salvador
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MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DE
VANESSA RODRIGUES CAMPOS
APRESENTADA AO MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA, DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA, EM 08 DE JULHO DE 2016.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr.(a) Ricardo Fernandes Carvalho
Orientador
MEAU - UFBA
Prof. Dr.(a) Eduardo Parente Prado
Coorientador
FAUFBA - UFBA
Prof. Dr.(a) Cléber Marcos Ribeiro Dias
MEAU - UFBA
Prof. Dr.(a) Juliano Fiorelli
FZEA – USP
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AGRADECIMENTOS
À Deus.
À família, amigos e em especial minha mãe pelo apoio ao longo do
desenvolvimento deste trabalho. Ao Prof. Orientador Dr. Ricardo Carvalho pela
oportunidade. Ao Prof. Coorientador Dr. Eduardo Prado pelo interesse e
disposição perante às dificuldades encontradas. A todos os professores, em
especial, ao Prof. Alberto Borges e à Prof.ª Iara Brandão. À FAPESB pelo
apoio financeiro, à APAEB pelo fornecimento das fibras de sisal, à BLINDEX
pela doação das placas de vidro e à Barracuda Advance Composites pelo
fornecimento de amostra de resina Epóxi. À UNIFACS, na pessoa do prof.
Murilo Ribeiro, pela infraestrutura do laboratório de Mecatrônica e o apoio
técnico de Raoni e Jander Pereira. Ao IFBA - campus Salvador, na pessoa do
prof. Dr. Rodrigo Coelho e aos estudantes de gradução de Eng. Mecânica
Lucas Costa, Eric, Tâmara, Eval e Alexandre pelos auxílios prestados. Ao
laboratório do DCE/UFBA - TIMOSKENKO; ao CETA/UFBA, em especial,
Paulo Santana, pela extrema atenção na realização das atividades
laboratoriais; ao Ledma/UFBA na pessoa do prof. Daniel Véras e do colega de
mestrado Silas Pinto e ao NTPR/UFBA e seus colaboradores. Aos estudantes
de iniciação científica Bruno Eduardo, Carol Monâco, Gabriel Marques e
Mahara Sampaio pelo apoio no início deste trabalho. Agradecemos
imensamente pela contribuição direta e significativa dos estudantes de
iniciação científica Adrielle Marques, Alice Lima e José Renan, auxílios
imprescindíveis na concretização desta pesquisa. Aos colegas Bruno Caldas,
Catharine Brandão e Adilson Arruda. Aos colegas de sala Daniela Musse, Luís
Fernando, Gerson Fiori, Cristina Toca, Ana Cláudia e Helen Miranda pela
amizade e apoio no dia a dia. Ao colega Moisés Ferreira pela amizade e
prestatividade em diversas etapas deste trabalho. Agradecemos de coração à
Liliana Rodrigues (mãe), Lêda Costa, Marialva Gomes, Liana, Celita Angélica e
Cosme Costa pela colaboração. Meus sinceros sentimentos de gratidão a
todos que auxiliraram direta e indiretamente em mais esta etapa de minha vida.
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RESUMO
A utilização de fibras vegetais como reforço em matrizes poliméricas tem sido
alvo da investigação de diversos estudos, principalmente pelo baixo custo e
biodegradabilidade dessas fibras. O desenvolvimento de peças e produtos
exige a união entre membros, o que torna relevante o estudo de ligações
mecânicas em compósitos poliméricos reforçados com fibras de sisal (PRFS).
Neste trabalho buscou-se avaliar os efeitos de ligações, com configuração
single-bolt single-lap joint (SBS), no comportamento mecânico de compósitos
PRFS com sequência de empilhamento [0°/ 90°/ 0°], mantendo-se o diâmetro
(D) constante. Devido a anisotropia do material foi avaliado o comportamento
mecânico do laminado em três direções: longitudinal, transversal e diagonal,
em relação à direção de esforço. Neste trabalho, também foi analisada a
influência do processo de furação utilizado na investigação das ligações
mecânicas, por meio da análise dos efeitos dos danos de delaminação e
determinação da perda de resistência causada pela presença do furo. Foi
investigada, experimentalmente, a influência dos parâmetros geométricos,
distância do centro do furo à borda livre (e) e largura (w), no comportamento
mecânico e modo de falha das ligações mecânicas. Os resultados apontaram
diferentes resistências e rigidezes nas três direções investigadas. O compósito
apresentou melhor desempenho mecânico em ordem decrescente, na direção
longitudinal, transversal e diagonal. A operação de furação ocasionou uma
delaminação de Fd = 1,204 e a presença do furo influenciou em uma perda de
resistência do compósito, devido à concentração de tensão, de 27,2%. As
ligações mecânicas tiveram melhores desempenhos mecânicos de
transferência de esforços e modos de falha para w/D ≥ 3; e/D ≥ 2. Os grupos
w/D = 4; e/D = 3 e w/D = 4; e/D = 4, apresentaram maior capacidade de carga
de tração e predominância de modos de falha por esmagamento ou misto.
Palavras-chave: Compósito; Fibra de sisal; Ligação mecânica;
Comportamento mecânico e Modo de falha.
vii
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ANALYSIS OF MECHANICAL BOLTED JOINT ON POLYMERIC COMPOSITES REINFORCED SISAL FIBER.
ABSTRACT
The use of natural fibers as reinforcements in polymer matrices has been the
focus of several studies, particularly due to the low cost and biodegradability of
the fibers. The development of parts and products requires an efficient joining
between components, which makes relevant the study of mechanical joints in
polymer composites reinforced with sisal fibers (PRSF). In this work, the
emphasis was to evaluate the joint effects, with setting single-bolt single-lap
joint (SBS) on mechanical behavior of PRSF composites stacking sequence [0°/
90°/0°], keeping the diameter (D) constant. Due to the anisotropy of the
material, it was evaluated the mechanical behavior of the laminate in three
directions: longitudinal, transverse and diagonal, both related to the direction of
the stress. The research has evaluated the influence of the drilling process on
the mechanical joint, in order to analyze the effects of delamination damage and
also determine the strength loss caused by the presence of the hole. It was also
investigated the influence of geometric parameters, such as the distance from
the edge distance-to-hole (e) and width (w) on mechanical behavior and failure
mode at the mechanical joint. The results showed different bearing strength and
rigidities in the three investigated directions. The composite showed better
mechanical performance in descending order in the longitudinal, transverse and
diagonal directions. The drilling operation caused a delamination Fd = 1.204 and
the presence of the hole influenced in a strength loss of the composite due to
the stress concentration of 27.2%. The mechanical joint had better mechanical
performance of transfer efforts and failure modes for the cases w/D ≥ 3; and e/D
≥ 2. The groups w/D = 4; and e/D = 3 and w/D = 4; and e/D = 4 showed higher
bearing strength and failure modes by crushing or mixed.
Keywords: Composite, Sisal fibers, Bolted joint, Mechanical behaviour and
Failure modes.
viii
81
SUMÁRIO
Pág.
BANCA EXAMINADORA ............................................................................................ iv
AGRADECIMENTOS .................................................................................................... v
RESUMO ..................................................................................................................... vi
ABSTRACT ................................................................................................................ vii
SUMÁRIO .................................................................................................................. viii
ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................................ xii
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ xiii
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ............................................................................... xvii
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1
1.1 JUSTIFICATIVA................................................................................................. 4
1.2 OBJETIVO GERAL ............................................................................................ 6
1.2.1 Objetivos específicos ................................................................................ 6
2 REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................... 7
2.1 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS ................................................. 9
2.2 COMPÓSITOS LAMINADOS........................................................................... 12
2.3 MATRIZ POLIMÉRICA .................................................................................... 15
2.4 REFORÇO – FIBRAS VEGETAIS ................................................................... 19
2.4.1 Massa específica das fibras por picnometria a gás hélio ..........................24
2.4.2 O sisal ......................................................................................................25
2.4.3 Tecido de fibra de sisal ............................................................................29
2.5 PROCESSO DE LAMINAÇÃO MANUAL – HAND LAY UP ............................. 32
2.5.1 Fração volumétrica de fibra e matriz ........................................................34
2.5.2 Fração volumétrica de vazios (porosidade) ..............................................35
2.6 PROCESSO DE USINAGEM: FURAÇÃO ....................................................... 38
2.6.1 Furação em compósitos ...........................................................................40
2.7 LIGAÇÕES MECÂNICAS EM MATERIAIS COMPÓSITOS ............................. 46
2.7.1 Conectores ..............................................................................................51
2.7.2 Modo de falha das ligações ......................................................................52
2.7.3 Parâmetros geométricos das ligações .....................................................55
2.7.4 Momento de flexão na região parafusada ou rebitada ..............................56
ix
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3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..................................................................... 58
3.1 MATERIAIS ..................................................................................................... 59
3.1.1 Reforço – Tecido unidirecional de fibra de sisal (TFS) .............................59
3.1.2 Matriz – Resina poliéster ..........................................................................60
3.2 MÉTODOS ...................................................................................................... 61
3.2.1 Produção do compósito ...........................................................................61
3.2.2 Determinação da densidade, índices de vazios e fração volumétrica dos
componentes .......................................................................................................64
3.2.3 Avaliação das propriedades mecânicas do compósito .............................65
3.2.4 Avaliação dos efeitos do furo no compósito .............................................67
3.2.4.1 Fator de delaminação........................................................................69
3.2.4.2 Tensão residual.................................................................................70
3.2.5 Ligações mecânicas..................................................................................71
3.2.5.1 Confecção dos corpos de prova.......................................................72
3.2.6 Ensaio de tração ......................................................................................79
4 RESULTADOS E ANÁLISES................................................................................ 81
4.1 DETERMINAÇÃO DA DENSIDADE, ÍNDICE DE VAZIOS E FRAÇÃO
VOLUMÉTRICA DOS COMPONENTES. ................................................................ 81
4.2 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS COMPÓSITOS........ 82
4.2.1 Ensaio de tração na direção longitudinal [0º/90º/0°]. ................................82
4.2.2 Ensaio de tração na direção transversal [90º/0º/90°]. ...............................83
4.2.3 Ensaio de tração na direção diagonal [45º/-45º/ 45°]. ..............................84
4.2.4 Modo de Falha .........................................................................................86
4.3 AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DO FURO NO COMPÓSITO ............................. 87
4.3.1 Fator de delaminação ..............................................................................87
4.3.2 Ensaio de tração em compósitos com furos .............................................89
4.3.2.1 Tensão residual.................................................................................90
4.3.2.2 Modo de falha....................................................................................90
4.4 LIGAÇÕES MECÂNICAS ................................................................................ 92
4.4.1 Ensaio de tração ......................................................................................92
4.4.2 Modo de falha ........................................................................................ 108
5 CONCLUSÕES ................................................................................................... 113
6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................... 115
x
81
7 REFERÊNCIAS ................................................................................................... 116
xi
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ÍNDICE DE TABELAS
Pág.
Tabela 1: Propriedades típicas do poliéster termofíxo. ................................................19
Tabela 2: Tabela de composição química de fibras vegetais .......................................20
Tabela 3: Propriedades de fibras vegetais e fibras sintéticas. .....................................23
Tabela 4: Propriedades mecânicas da fibra e do tecido de sisal. ................................32
Tabela 5: Vantagens e Desvantagens das ligações mecânicas. .................................49
Tabela 6: Propriedades típicas da resina líquida. ........................................................61
Tabela 7: Propriedades mecânicas da resina curada. .................................................61
Tabela 8: Relação w/D e e/D. ......................................................................................73
Tabela 9: Configurações de ligação das amostras de ensaio. .....................................78
Tabela 10: Propriedades mecânicas à tração na direção longitudinal [0°/90°/0°]. .......83
Tabela 11: Propriedades mecânicas à tração na direção transversal [90º/0º/90°]. ......84
Tabela 12: Propriedades mecânicas à tração na direção diagonal [45º/-45º/45°]. .......85
Tabela 13: Fator de delaminação (Fd). ........................................................................87
Tabela 14: Propriedades mecânicas à tração do laminado PRFS – CPCF .................89
Tabela 15: Tensão residual. ........................................................................................90
Tabela 16: Carga máxima de ruptura para o grupo I. ..................................................95
Tabela 17: Carga máxima de ruptura para o grupo II. .................................................97
Tabela 18: Carga máxima de ruptura para ligações do grupo III. .............................. 100
Tabela 19: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação w/D=2.
.......................................................................................................................... 101
Tabela 20: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação w/D=3.
.......................................................................................................................... 102
Tabela 21: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação w/D=4.
.......................................................................................................................... 102
Tabela 22: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=1. 103
Tabela 23: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=2. 104
Tabela 24: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=3. 104
Tabela 25: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=4. 104
Tabela 26: Modo de falha dos laminados w/D e e/D. ................................................. 109
xii
81
Tabela 27: Resumo das relações geométricas que apresentaram melhores
desempenhos na capacidade de carga da ligação. ........................................... 110
Tabela 28: Resumo das relações geométricas quanto a força solicitante mínima para a
ligação. .............................................................................................................. 111
Tabela 29: Esforços resistentes e solicitantes da ligação mecânica. ......................... 112
xiii
81
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1: Esquema da classificação dos compósitos. ................................................... 9
Figura 2: Compósitos reforçados com fibras: a) alinhadas e contínuas; b) alinhadas e
descontínuas e c) aleatórias e descontínuas. ......................................................10
Figura 3: a) Curva esquemática tensão-deformação para fibra e matriz e b) Curva
esquemática tensão-deformação para um compósito reforçado com fibras. ........12
Figura 4: Esquema de empilhamento sucessivo das camadas de um laminado. ........13
Figura 5: a) Laminado unidirecional (Unidirecional laminate); b) Laminado de camada
angulada (Angle-ply laminate) e c) Laminado de camada cruzada (Cross-ply
laminate)..............................................................................................................14
Figura 6: Representação esquemática de polímeros: a) termoplástico e b) termofixo. 16
Figura 7: Polimerização por condensação e representação da cadeia do poliéster. ....18
Figura 8: Reação de cura do poliéster insaturado. ......................................................18
Figura 9: Estutura física da fibra vegetal. ....................................................................22
Figura 10: Sisal (Agave sisalana). ...............................................................................26
Figura 11: Esquema da cadeia produtiva do sisal. ......................................................27
Figura 12: Classificação das fibras. .............................................................................29
Figura 13: Esquema de tecido tramado. ......................................................................30
Figura 14: Esquema dos tipos de arranjos de tecidos tramados: a) simples; b) cesto; 31
Figura 15: Laminação manual (hand lay up)................................................................33
Figura 16: Esquema Cinemático da furação. ...............................................................40
Figura 17: Representação esquemática dos mecanismos de delaminação: a)
delaminação à entrada “peel-up” e b) delaminação à saída “push-down”. ...........42
Figura 18: a) Esquema dos danos de delaminação e b) Imagem ilustrativa da zona de
delaminação ao redor do furo. .............................................................................44
Figura 19: Perfil de tensões ao redor de um furo ao longo da secção transversal. ......47
Figura 20: Esquema dos tipos de juntas mecânicas: a) junta sobreposta simples; b)
junta sobreposta dupla e c) junta de topo. ...........................................................48
Figura 21: Intertravamento por meio de: a) rebite; b) parafusos e c) pinos. .................52
Figura 22: Representação esquemática dos modos de falha em PRF. .......................53
xiv
81
Figura 23: Representação esquemática da geometria da junta single lap com um
parafuso. .............................................................................................................55
Figura 24: Diagrama esquemático representação da carga de cisalhamento e flexão no
membro conectado. .............................................................................................56
Figura 25: Etapas gerais dos procedimentos experimentais. .......................................58
Figura 26: Etapas de confecção do tecido unidirecional de sisal. ................................60
Figura 27: Etapas de produção do laminado. ..............................................................63
Figura 28: Picnômetro a gás. ......................................................................................64
Figura 29: Esquema do corte para avaliação das propriedades mecânicas do
laminado. .............................................................................................................66
Figura 30: Amostras para avaliação das propriedades mecânicas. .............................66
Figura 31: Diagrama esquemático dos corpos de prova com furo central. ..................68
Figura 32: a) Centro de Usinagem CNC e b) Execução dos furos. ..............................68
Figura 33: Corpos de prova do laminado com furo central. .........................................69
Figura 34: a) Imagem à entrada da broca e b) Imagem à saída da broca. ..................69
Figura 35: a) Imagem à entrada da broca após tratamento de imagem e b) Imagem à
saída da broca após tratamento de imagem. .......................................................70
Figura 36: Fluxograma do procedimento experimental para análise das ligações
mecânicas. ..........................................................................................................72
Figura 37: Execução do furo em corpo de prova para análise das ligações. ...............73
Figura 38: Elementos de fixação mecânica. ................................................................74
Figura 39: Esquema da ligação mecânica do tipo Single - bolt single - lap (SBS). ......74
Figura 40: a) Perfil frontal das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 2 e
b) Perfil lateral das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 2. .........75
Figura 41: a) Perfil frontal das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 3 e
b) Perfil lateral das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 3. .........76
Figura 42: a) Perfil frontal das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 4 e
b) Perfil lateral das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 4. .........77
Figura 43: Máquina de ensaio universal EMIC. ...........................................................79
Figura 44: Ensaio de tração de corpo de prova com ligação (w/D = 4, e/D = 4). ..........80
Figura 45: Gráfico tensão x deformação na direção longitudinal [0°/90°/0°]. ...............82
Figura 46: Gráfico tensão x deformação na direção transversal [90º/0º/90°]. ..............83
Figura 47: Gráfico tensão x deformação na direção diagonal [45º/ -45º/ 45°]. .............85
xv
81
Figura 48: Modo de falha nas direções: a) longitudinal; b) transversal e c) diagonal. ..86
Figura 49: Imagem dos furos: a) sem tratamento – à entrada; b) sem tratamento – à
saída; c) com tratamento – à entrada e d) com tratamento – à saída. .................88
Figura 50: Gráfico tensão x deformação – CPCF. .......................................................89
Figura 51: Fratura final para CPCF. ............................................................................91
Figura 52: Concentração de tensões próximas ao furo. ..............................................91
Figura 53: Curva força x descolamento para o grupo I. ...............................................93
Figura 54: Curva força x descolamento para o grupo II. ..............................................96
Figura 55: Curva força x descolamento para o grupo III. .............................................99
Figura 56: Influência das relações e/D na capacidade de carga das ligações. ........... 106
Figura 57: Influência das relações w/D na capacidade de carga das ligações. .......... 107
Figura 58: a) Falha por Clivagem (e/D = 1); b) Falha por Tração (e/D =4); c) Falha por
Cisalhamento (e/D = 1) e d) Falha por Esmagamento (e/D = 4). ........................ 108
xvi
81
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
ASTM American Society for Testing Materials
CNC Comando Numérico Computadorizado
CONAB Companhia Nacional de Abastecimento
CPCF Corpo de prova com furo
CPSF Corpo de prova sem furo
DCTM Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
EMIC Marca nacional de equipamentos para ensaios destrutivos
FAOUN Food and Agriculture Organization of the United Nations
IFBA Instituto Federal da Bahia
LEDMa Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais
MEKP Metil Etil Cetona
MEF Método dos Elementos Finitos
MAPA Ministério da Agricultura e Abastecimento
NTPR Núcleo de Tecnologia da preservação e da restauração
PRFS Polímeros Reforçados com Fibra de Sisal
PRF Polímeros reforçados com fibras
DMP Sobreposta Dupla Multi Parafusada
DUP Sobreposta Dupla com um parafuso
SBS Single - bolt single – lap
xvii
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SMP Sobreposta Simples Multi Parafusada
SUP Sobreposta Simples com um parafuso
TFS Tecido de Fibra de Sisal
UNEP United Nations Environment Programme
UFBA Universidade Federal da Bahia
UNIFACS Universidade Salvador
1
81
1 INTRODUÇÃO
A fabricação de muitas peças estruturais para aplicação em engenharia
tem sido desenvolvida pelo uso de compósitos avançados, devido a
características atraentes no campo industrial, tal como baixo peso, alta
resistência, alta rigidez, boa resistência à fadiga e boa resistência à corrosão
(HOA, 2009). Esses materiais são freqüentemente utilizados na indústria
aeronáutica e espacial devido ao seu alto desempenho mecânico em
resistência e rigidez, aliada a baixa densidade, quando comparados com os
materiais metálicos, e sua boa capacidade de adaptação a projetos de
diferentes geometrias (YAHO et al., 2014). Segundo Hollaway (2003), os
compósitos poliméricos reforçados com fibras têm grande potencial para
substituir o concreto armado em pontes, edifícios e outras infraestruturas civis.
Para Mallick (2008), a principal razão para a seleção desses materiais é a alta
resistência à corrosão que permite uma maior vida útil da estrutura e, por
conseguinte, baixos custos de reparação e manutenção.
As intensas preocupações ambientais para um desenvolvimento
sustentável vêm estimulando a pesquisa e estudo de materiais ecológicos que
causem menor impacto ao ambiente. Assim sendo, a incorporação de fibras
naturais de origem vegetal em materiais poliméricos, em substituição às
tradicionais fibras de vidro contribui para o desenvolvimento de compósitos
sustentáveis e vêm crescendo nos últimos anos (CASTRO, 2013).
A utilização de fibras vegetais como reforço em compósitos teve origem
na antiguidade com os tijolos de barro que eram reforçados com palha para as
construções das civilizações do crescente fértil, especialmente no Egito e na
Mesopotâmia. A descoberta do petróleo e o contínuo desenvolvimento
tecnológico contribuíram para a introdução das fibras sintéticas, de origem
petroquímica, no mercado. Segundo Hill e Hughes (2010), na década de 1940
os compósitos reforçados por fibras naturais foram intensamente substituídos
pela introdução das fibras sintéticas. Contudo, nos dias atuais observa-se uma
2
81
busca incessante de materiais que atendam às tendências mundiais de
sustentabilidade ambiental de forma a suprir as degradações ambientais e
sociais de um contexto marcado pelo uso exaustivo dos recursos naturais não
renováveis.
O conceito de desenvolvimento sustentável foi formalizado pela primeira
vez na Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento criada pela
Organização das Nações Unidas (ONU) em um documento intitulado Relatório
Brundtland, Nosso Futuro Comum, publicado em 1987. Neste documento foi
estabelecida uma nova forma de progredir, o desenvolvimento sustentável, que
pode ser entendido como: “O desenvolvimento que procura satisfazer as
necessidades da geração atual, sem comprometer a capacidade das gerações
futuras de satisfazerem as suas próprias necessidades, significa possibilitar
que as pessoas, agora e no futuro, atinjam um nível satisfatório de
desenvolvimento social, econômico e de realização humana e cultural, fazendo,
ao mesmo tempo, um uso razoável dos recursos da terra e preservando as
espécies e os habitats naturais”.
Para atender às tendências mundiais de sustentabilidade ambiental, nas
últimas décadas observou-se um crescente desenvolvimento de compósitos
reforçados por fibras celulósicas. Fibra de bananeira (BALZER et al., 2007), de
bagaço de cana de açúcar (BARBOSA, 2010), de sisal e curauá (SPINACÉ et
al., 2011), de licuri (LEÃO et al., 2011), entre outras, são amplamente utilizadas
como reforço em compósitos poliméricos por diversos pesquisadores. A
escolha de fibras vegetais como reforço se deve principalmente às vantagens
que apresentam: baixo custo, baixa densidade, renováveis, não apresentam
toxidade, não são abrasivas aos equipamentos e suas propriedades mecânicas
são comparáveis à de outros materiais normalmente utilizados como reforço,
por isso se tornam alternativas para o uso em reforço de matrizes poliméricas
(ROSÁRIO et al., 2011). As fibras de sisal como reforço se destacam por
apresentarem elevada resistência ao impacto, moderada resistência à tração e
3
81
à flexão quando comparados com compósitos que se utilizam de outras fibras
como reforço (PAVITHRAN et al., 1988, 1991).
A incorporação de materiais provenientes de fontes renováveis na
indústria da construção civil tende a contribuir para a diminuição dos impactos
ambientais causados pelo setor. Segundo Mendes (2013), A indústria da
construção civil tem papel importante no desenvolvimento do país, no entanto,
estimativas mostram que esse setor merece atenção, uma vez que suas
atividades causam impactos ambientais consideráveis. Em âmbito
internacional, os dados mostram que entre 40% e 75% dos recursos naturais
são consumidos setor com consequente geração de resíduos. No Brasil,
resultados indicam que 25% do total de resíduos industriais são provenientes
da construção civil. Segundo a United Nations Environment Programme
(Unep), a indústria da construção civil tem grande participação nas emissões
de gás carbônico, sendo responsável por 30% das emissões globais de gases
responsáveis pelo efeito estufa e por 40% do consumo global de energia.
Sendo assim, torna-se imprescindível o estudo e desenvolvimento de
novas tecnologias que possam tornar a construção civil mais sustentável. Este
trabalho visa o desenvolvimento de novos materiais que possam contribuir para
diminuição do impacto ambiental do setor. Desta forma, o estudo do
comportamento e o desempenho das ligações mecânicas em compósitos
poliméricos reforçados com fibra de sisal propõe viabilizar o uso desses
materiais para a utilização em larga escala na indústria da construção civil,
permitindo assim, a possibilidade de modulação de painéis e flexibilidade para
fins de projeto.
4
81
1.1 JUSTIFICATIVA
Este trabalho visa contribuir para viabilizar a utilização de polímeros
reforçados com fibra de sisal (PRFS), na produção em larga escala, para a
montagem e desenvolvimento de peças, equipamentos e estruturas que
exigam a união entre membros. Para o uso desses compósitos na indústria, a
união entre esses elementos torna-se aspecto importante a ser considerado em
virtude da necessidade de modulação. A flexibilidade na união entre uma peça
e outra ou a uma determinada estrutura, permite que o material possa atender
às exigências de projeto. Tendo em vista os parâmetros que regem o
comportamento de uma ligação mecânica e o desempenho da sua função, o
presente trabalho torna-se relavante ao avaliar o impacto desses elementos na
resistência e na vida útil dos laminados reforçados com fibras.
A ampliação do binômio sisal-poliéster na confecção de produtos
diversificados, com possibilidade de expansão nas indústrias automobilística,
aeronáutica e civil pode conferir maior valor agregago ao uso do sisal. A
substituição de fibras sintéticas por fibras vegetais contribui de forma ampla em
diferentes setores da sociedade, tais como, o ambiental, o social e o
econômico.
O sisal mostra-se como excelente recurso renovável e pode contribuir
para minimizar as mudanças climáticas globais, uma vez que em seu ciclo de
vida absorve mais dióxido de carbono do que produz. Em oposição às fibras
sintéticas, o sisal apresenta-se cem por cento biodegradável (FAOUN, 2016). O
desfibramento da folha do sisal possui um aproveitamento de apenas 4% na
forma de fibra, 16% trata-se de resíduos sólidos e 80% de resíduos líquidos.
Pesquisas científicas vêm colaborando para o surgimento de novas alternativas
de aplicabilidade tanto para as fibras quanto para os resíduos (ANDRADE et
al., 2011). As fibras são frequentemente utilizadas como reorços de matrizes
poliméricas no desenvolvimento de compósitos e, conforme a FAOUN (2016)
os resíduos orindos do processamento do sisal, de origem orgânica, podem ser
utilizados para gerar bioenergia, alimentos para animais, fertilizantes e
5
81
materiais para construções ecológicas. Além disso, as raízes extensas
minimizam a erosão do solo e contribuem para a gestão das bacias
hidrográficas. Assim sendo, a incorporação de fibras vegetais como reforço em
matrizes poliméricas contribui para minimizar os impactos ambientais causados
pelas fibras sintéticas, não renováveis, não biodegradáveis e com consumo de
altos índices de energia em seu processamento.
O sisal possui grande importância sócioeconômica na região semiárida
do Nordeste, responsável pela geração de emprego e renda de uma das
regiões com menor poder aquisitivo, possuidora do IDH (0,589) mais baixo do
estado da Bahia. Cerca de 400 mil agricultores, atualmente, cultivam o sisal em
suas propriedades, caracterizando uma agricultura familiar e de baixo nível
tecnológico. Nos centros urbanos, também, é responsável pelos postos de
trabalho nas etapas de beneficiamento e industrialização do sisal (ANDRADE
et al., 2011). A utilização do sisal como alternativa na produção de compósitos
tem por consequência o crescimento econômico e social da região sisaleira,
localizada no semiárido Nordestino. A promoção de emprego e renda para os
habitantes e os incentivos a investimentos econômicos na região, ocorrem,
principalmente com o aumento do valor agregado às fibras de sisal, atualmente
com uso extenso na confecção de produtos de baixo valor agregado, como
fios, cordas, tapetes, capachos, mantas e artesanato.
Apesar de apresentar baixa produtividade, o Brasil é o país que mais
exporta e produz fibra de sisal em escala mundial, apresentando em 2011, uma
produção interna de 111 mil toneladas, sendo a Bahia detentora de 95,8%
deste total. Em média 80% da produção total destinam-se ao comércio
internacional (CONAB, 2012). Na Bahia a produção do sisal concentra-se em
uma região, denominada “região sisaleira” (ANDRADE et al., 2011). As fibras
de sisal possuem menores custos comparados às fibras sintéticas (CONAB,
2012). O baixo custo da fibra de sisal em comparação com as fibras sintéticas
pode tornar os custos dos compósitos reforçados com sisal mais acessíveis e,
portanto, contribuir para o desenvolvimento econômico do país.
6
81
Assim sendo, a investigação do comportamento mecânico das ligações
parafusadas na união entre compósitos PRFS torna-se uma alternativa
relevante para viabilizar o desenvolvimento desse material para a indústria,
tendo em vista, que a concepção de um produto ou estrutura prescinde da
montagem de peças entre si. Sendo comum o uso de elementos fixadores,
parafusos e rebite, para promover essas conexões.
1.2 OBJETIVO GERAL
Avaliar o comportamento e modo de falha de ligações mecânicas do tipo
Single - bolt single - lap (SBS), em polímeros reforçados com tecidos de fibra
de sisal (PRFS), com sequência de empilhamento [0º/ 90º/ 0º], investigando os
efeitos dos parâmetros geométricos de ligação, largura (w) e distância do
centro do furo à borda livre (e), mantendo-se o diâmetro (D) constante.
1.2.1 Objetivos específicos
- Avaliar o comportamento mecânico do laminado [0º/ 90º/ 0º], na direção
longitudinal, transversal e diagonal sob ensaio de tração uniaxial.
- Avaliar o efeito dos furos no laminado.
- Investigar a influência das relações w/D = 2, 3 e 4; e e/D = 1, 2, 3 e 4 no
comportamento mecânico e modos de falha das ligações mecânicas.
7
81
2 REVISÃO DE LITERATURA
Os compósitos se tornaram materiais amplamente almejados na
indústria aeronáutica, aeroespacial, automobilística e construção civil, devido à
possibilidade de combinações específicas de propriedades, como densidade,
resistência mecânica, módulo de elasticidade e rigidez. Essas combinações
atípicas de propriedades permitem que sejam criados materiais com a
finalidade de se atender a uma determinada demanda tecnológica.
Compósitos podem ser definidos como a combinação de materiais que
resultam em propriedades não apresentada por seus componentes isolados.
As principais vantagens do uso de compósito estão relacionadas à sua elevada
resistência e rigidez, combinada à baixa densidade. Esses materiais
apresentam dois constituintes, a matriz e o reforço. A fase reforço ou estrutural
é responsável pela resistência e rigidez do compósito (CAMPBELL, 2010). A
fase matriz é maleável e desempenha a função de proteção e coesão, e
envolve a fase reforço, permitindo a manutenção da orientação das fibras e seu
espaçamento, além de permitir a transferência das forças de cisalhamento
recebidas para as fibras, conferindo ao compósito resistência às dobras e às
torções (CALLISTER, 2012; MANO, 1990; ALLEN; THOMAS, 1999). Para
serem definidos como compósito as duas ou mais fases que o compõe devem
ter constituição química diferente e estar fisicamente separadas por uma
interface distinta (CALLISTER, 2012).
Em compósitos, os diferentes sistemas que os compõem são
combinados criteriosamente para alcançar propriedades funcionais ou
estruturais mais úteis e inatingíveis pelos constituintes isolados. São
amplamente utilizados em estruturas aeronáuticas, veículos espaciais,
componentes eletrônicos para equipamentos médicos e construções de casas
(SHAW et al., 2010). Segundo Thomas (2011), as propriedades das fases do
compósito e suas quantidades relativas são responsáveis pelas propriedades
8
81
finais do material composto, que conferem propriedades mecânicas antes não
observadas em suas partes isoladamente.
As propriedades das fibras podem ter relação direta com o arranjo
atômico e o teor de defeitos do reforço, que podem ser controlados durante o
processo de produção, no caso das fibras sintéticas. As propriedades da matriz
têm dependência com a microestrutura, que por sua vez depende do processo
de fabricação, e de tratamento térmicos e mecânicos. A natureza da interface
reforço/matriz é responsável por controlar certas propriedades do compósito
(HULL; CLYNE, 1996).
Os compósitos podem ser classificados de acordo com a matriz que
sãoproduzidos, matriz metálica, cerâmica ou polimérica (AVILA et al., 2003;
LEÃO, 2013; HULL; CLYNE, 1996). Outra classificação está relacionada com o
tipo de reforço incorporado a essa matriz, compósitos reforçados por partículas,
compósitos reforçados por fibras ou compósitos estruturais (ILIE; HICKEL,
2012, CALLISTER 2012). De acordo com a natureza das fibras, os compósitos
reforçados com fibras podem ser subdivididos em reforçado por fibra
natural/biofibra ou reforçado por fibra sintética. Os compósitos reforçados por
fibra ainda podem ser divididos conforme a natureza da matriz, matriz
biodegradável ou matriz não biodegradável (ILIE; HICKEL, 2009). Os
compósitos de matriz biodegradável reforçados por fibra natural/biofibra são
denominados de compósitos verdes. Outra subdivisão proposta para
compósitos reforçados com fibras são os compósitos híbridos (combinação de
dois ou mais tipos de fibras) e os compósitos têxteis (JOSE et al., 2012).
Callister (2012) porpõe uma classificação quanto ao tipo de reforço,
representada na Figura 1, em que os compósitos são divididos em compósitos
reforçados com partículas, reforçados com fibras e compósitos estruturais,
sendo subdivididos conforme o tamanho e disposição da fase reforço na matriz.
9
81
Fonte: (Callister, 2012).
Figura 1: Esquema da classificação dos compósitos.
2.1 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS
Os compósitos reforçados com fibras são indicados em projetos cujo
objetivo é uma alta relação entre resistência e/ou rigidez e peso. O
comportamento mecânico de compósitos reforçados com fibras não depende,
tão somente, das propriedades das fibras, mas também, do seu comprimento,
orientação e concentração. Conforme o comprimento, a fibra pode ser longa ou
curta, denominada respectivamente, contínua e descontínua. Para uma fibra
ser denominada contínua ou longa, deve atender a um requisito mínimo de
comprimento crítico (lc). Quanto maior o comprimento da fibra (l), ou seja, (l >>
lc), o reforço proporcionado pela fibra torna-se mais eficiente, características
das fibras contínuas ou longas. As fibras descontínuas ou curtas apresentam (l
< lc). Quando o interesse é o aumento significativo da resistência do compósito
as fibras devem ser contínuas (CARVALHO, 2005; CALLISTER, 2012).
Outro fator que influencia as características mecânicas dos compósitos
reforçados com fibras é a orientação das mesmas. As fibras incorporadas à
matriz podem estar alinhadas, ou com orientação aleatória. As melhores
10
81
propriedades são obervadas para as fibras alinhadas quando as forças são
aplicadas na mesma direção do alinhamento (CALLISTER, 2012). A Figura 2
mostra a denominação, quanto o comprimento e a orientação das fibras.
a) b) c)
Fonte: (Callister, 2012).
Figura 2: Compósitos reforçados com fibras: a) alinhadas e contínuas; b) alinhadas e
descontínuas e c) aleatórias e descontínuas.
A equação 1, baseada na regra das misturas, relaciona as propriedades
do compósito, como módulo de elasticidade (E) e fração volumétrica (V), com
as propriedades mecânicas dos materiais constituintes. Com a regra da
mistura, é possível se obter uma estimativa do módulo de elasticidade e da
resistência do compósito e é válida apenas para pequenas deformações dentro
da região linear elástica (AGARWAL et al, 2006; HULL, CLYNE,1996; HOA,
2009)
Ec = Ef Vf + Em Vm (1)
Onde,
Ec: módulo de elasticidade do compósito
Ef: módulo de elasticidade da fibra
11
81
Em: módulo de elasticidade da matriz
Vf : fração volumétrica das fibras
Vm: fração volumétrica da matriz
As respostas mecânicas de compósitos reforçados com fibras
dependem daquelas relativas ao comportamento tensão-deformação dos
constituintes (fibra e matriz), de suas frações volumétricas e da direção na qual
a carga é aplicada. A Figura 3a apresenta o comportamento tensão-
deformação dos constituintes (fibra e matriz) de um compósito reforçado com
fibras. Pode-se observar o comportamento frágil da fibra e dúctil da matriz
através da curva esquemática tensão-deformação apresentada, assim como,
das tensões nas quais os materiais fraturam e suas respectivas deformações.
Na Figura 3b tem-se a sobreposição da curva esquemática tensão-
deformação do compósito reforçado com fibras, junto às curvas dos
constituintes mostradas na figura 3a. No estágio I se observa um
comportamento lienar-elástico tanto para a matriz e a fibra, quanto para o
compósito. No estágio II a matriz escoa, apresentando deformação plástica,
enquanto que a fibra permanece se deformando elasticamente, apresentando
resistência à tração maior que a matriz. Ao passar do estágio I para o estágio II
aumenta a proporção de carga suportada pelas fibras. O início da falha dos
compósitos ocorre quando as fibras começam a fraturar. Os compósitos
reforçados com fibras não apresentam falhas catastróficas devido à variação
de resistência à tração presente em materiais fibrosos, o que faz com que as
fibras não fraturem ao mesmo tempo. Outra justificativa é o fato de a fibra
apresentar menores deformações que a matriz εf < εm; assim, as fibras
fraturadas que permanecem ainda envolvidas na matriz são capazes de
suportar carga, ainda que reduzida, o que favorece a deformação plástica do
compósito (CALLISTER, 2012).
12
81
a) b)
Fonte: (Callister, 2012)
Figura 3: a) Curva esquemática tensão-deformação para fibra e matriz e b) Curva
esquemática tensão-deformação para um compósito reforçado com fibras.
2.2 COMPÓSITOS LAMINADOS
Como já abordado, os compósitos laminados consistem em um tipo de
compósito estrutural e suas propriedades dependem não somente das
propriedades dos seus constituintes, mas também do projeto geométrico dos
elementos estruturais que o compõe. Os compósitos laminados são
estruturados por lâminas ou painés bidimensionais com direção preferencial de
alta resistência, como encontrado nas madeiras e nos plásticos reforçados com
fibras contínuas e alinhadas. Os laminados podem ser produzidos a partir da
impregnação de materiais na forma de tecido como algodão, papel ou fibra de
vidro trançada (CALLISTER, 2012).
As lâminas são dispostas através de empilhamentos sucessivos e
unidas umas às outras. A variação das direções em relação à direção
preferencial de alta resistência permite que o compósito apresente resistência
13
81
relativamente alta nas diversas direções. No entanto, a resistência em qualquer
direção continua menor do que aquela que existiria se todas as fibras
estivessem orientadas em uma mesma direção (REZENDE et al., 2011;
CALLISTER, 2012). Na Figura 4, Campbell (2010), apresenta um diagrama
esquemático para melhor compreensão do empilhamento sucessivo entre
camadas para formação de um laminado. O primeiro esquema, à esquerda,
mostra a orientação das camadas apenas na direção preferencial de alta
resistência, enquanto que o segundo, à direita, apresenta um empilhamento em
várias direções, em relação à direção principal.
Fonte: (Campbell, 2010)
Figura 4: Esquema de empilhamento sucessivo das camadas de um laminado.
Segundo Mallick (2008), o laminado é construído pelo empilhamento de
lâminas em uma espessura e direção. A orientação da sequência de
empilhamento das camadas varia angularmente em relação à direção
preferencial de alta resistência. O código padrão que revela a orientação das
sequências de empilhamento das camadas dos compósitos laminados é
apresentados a seguir:
14
81
a) Laminado unidirecional (Unidirecional laminate): o ângulo de orientação
das fibras é o mesmo para todas as lâminas. Ex: α /α /α /α; se α = 0º,
então, [0º/ 0º/ 0º /0º].
b) Laminado de camada angulada (Angle-ply laminate): o ângulo de
orientação das fibras em camadas angulares alternadas. Ex: α /-α /α / -α;
quando α ≠ 0º ou 90º.
c) Laminado de camada cruzada (Cross-ply laminate): o ângulo de
orientação das fibras em camadas cruzadas. Ex: [0º /90º /0º / 90º].
d) Laminados simétricos (Symmetric laminate): a camada de orientação é
simétrica ao centro do laminado, isto é, para cada camada sobre o meio
do plano existe uma camada idêntica (em material, espessura e ângulo
de orientação das fibras) para igual distância abaixo e acima do meio do
plano. Ex: [0º /90º /90º / 0º]s.
A Figura 5 apresenta o diagrama esquemático dos tipos de laminados
segundo o ângulo de orientação das fibras em camadas alternadas.
Fonte: (Mallick, 2008)
Figura 5: a) Laminado unidirecional (Unidirecional laminate); b) Laminado de camada
angulada (Angle-ply laminate) e c) Laminado de camada cruzada (Cross-ply laminate).
a) b) c)
15
81
2.3 MATRIZ POLIMÉRICA
Conforme Callister (2012), a fase matriz de um compósito tem por
objetivo manter unidas as fibras umas às outras, permitindo uma transferência
e distribuição da tensão aplicada externamente para a fase fibra, responsável
pela resistência do conjunto. Ademais fornece uma barreira de proteção contra
intempéries e abrasão mecânica. Evita a propagação de trincas por permitir o
isolamento das fibras umas das outras, o que significa que, mesmo que haja
falha individual de uma fibra, essa falha não será propagada, o que evita a
ruptura total e brusca do compósito.
Os polímeros são divididos em duas categorias denominadas
termoplásticos e termofixos, a depender de sua estrutura e comportamento.
Nos polímeros termoplásticos a fusão e solidificação são reversíveis, pois, as
moléculas são quimicamente unidas umas às outras e mantidas por ligações
fracas do tipo van der Waals que podem ser facilmente rompidas por
introdução de energia. Com aplicação de fonte de calor essas ligações são
rompidas (fusão) temporariamente, e porque o processo é reversível, as
ligações podem voltar a se consolidar (solidificação) novamente, se for retirada
a fonte de calor voltando ao estado endurecido. Esses polímeros apresentam
uma estrutura semicristalina ou amorfa. Os polímeros formados por moléculas
quimicamente unidas por ligações covalentes, que após aquecimento formam
uma estrutura de rede rígida, tridimensional, reticulada, com ligações cruzadas
(cross-links) tornando-se insolúveis e infusíveis, são chamados termofixos ou
termorrígidos. Esses retículos são formados durante reação de polimerização
(reação de cura). O processo é irreversível e com o aumento da temperatura
não há mudança de estado, permanecendo endurecido (AGARWAL et al.,
2006; MALLICK, 2008).
Verifica-se a estrutura molecular das ligações dos polímeros
termoplásticos e dos termofixos na Figura 6.
16
81
Fonte: (Mallick, 2008)
Figura 6: Representação esquemática de polímeros: a) termoplástico e b) termofixo.
Os polímeros termofixos, em geral, apresentam elevado desempenho
mecânico, maior resistência ao fogo, contra ataques químicos, à fadiga e
tornam-se permanentemente rígidos quando submetidos a aplicação de calor e
não amolecem com o aquecimento subsequente. Assim, geralmente se utiliza
resinas termofixas como matriz de componentes estruturais. As resinas
poliméricas termorrígidas amplamente utilizadas e de baixo custo são os
poliésteres e os ésteres vinílicos (CALLISTER, 2012).
O epóxi apresenta maior resistência mecânica, boa resistência a
distorções térmicas e menor retração durante a cura que os poliésteres.
Contudo, apresentam custo mais elevado, sendo os poliésteres preferíveis em
virtude do baixo custo (HULL; CLYNE, 1996). As resinas epóxis são utilizadas
para compósitos de alto desempenho, devido a sua alta resistência mecânica,
por isso, são comumente usadas na indústria aeroespacial e naval (MOHANTY
et al., 2005).
Os poliésteres insaturados apresentam vantagens, como diversificado
conjunto de propriedades e, consequentemente, de aplicações, capacidade de
cura à temperatura ambiente, boas propriedades mecânicas e transparência,
quando comparada com outras resinas termofixas, além de serem produzidos
em larga escala (TAJ et al., 2007). Os poliésteres são formados por uma
reação de polimerização por condensação de um diácido e um dialcool, como
ilustra na figura 7. O ácido maléico reage com o etileno glicol para formar o
poliéster. Nesta reação o grupo ácido (O=C–OH) na extremidade do diácido
a) b)
17
81
reage com o grupo álcool (CH2OH) na extremidade do diol para formar uma
ligação que une as duas moléculas com liberação de água como subproduto. O
grupo de ligação formado é chamado de éster (C-O-C = O), a chamada reação
de condensação. O produto resultante possui um grupo ácido em uma
extremidade e um grupo álcool na outra extremidade. Em ambas as
extremidades são possíveis reações de condensação adicionais repetidas
vezes, desta forma, com reagentes suficientes os grupos de ácido e álcool irão
formar unidades regularmente repetidas como pode ser observado na reação
de polimerização na figura 7. Quando unidades de ester se ligam a outras,
devido a reações, moléculas de poliéster são formadas. A reação típica de
polimerização é mostrada na Figura 7 (HOA, 2009).
Diácido: ácido maléico
Grupo Ácido
Grupo Álcool
Diacool: etileno glicol
Primeira reação de condensação:
Ligação éster
Água
Reações de condensação adicionais:
+ H2O
18
81
Fonte: adaptado de (Hoa, 2009).
Figura 7: Polimerização por condensação e representação da cadeia do poliéster.
A presença do catalizador (peróxido orgânico) proporciona a quebra das
duplas ligações presentes no poliéster insaturado para reagirem novamente
entre si, dando origem a um polímero tridimensional de características
termoestáveis, e, portanto, infusíveis e irreversíveis. Esta reação não produz
um subproduto e é uma reação exotérmica. A cura é feita na temperatura
ambiente com ou sem aplicação de pressão (AGARWAL et al., 2006).
Fonte: adaptado de (Hoa, 2009).
Figura 8: Reação de cura do poliéster insaturado.
Segundo Mano; Nunes (1990), o catalisador adicionado consome os
inibidores, que são substâncias que foram adicionadas ao poliéster
comercializado, a fim de reagir com os radicais livres e impedir a geleificação
Unidade repetitiva (mero)
Reagentes:
Poliéster Peróxido Estireno: Cross-linking
Poliéster curado
19
81
prematura da resina, ou seja, tornar-se gel, iniciando assim o processamento
da reação de cura. A tabela 1 apresenta as propriedades mecânicas do
poliéster termofixo.
Tabela 1: Propriedades típicas do poliéster termofíxo.
Densidade
relativa
Resistência à
Tração
[MPa]
Módulo de
Elasticidade
[GPa]
Limite de
Escoamento
[MPa]
Alongamento
de Ruptura
[%]
1,29 – 1,40
48,3 – 72,4
2,8 – 4,1
59,3
0,15 – 0,6
Fonte: Adaptada de Callister, 2012.
2.4 REFORÇO – FIBRAS VEGETAIS
De acordo com a natureza da fibra, os compósitos podem ser reforçados
por fibras naturais (vegetal, animal e mineral) ou reforçados por fibras
sintéticas. Devido às elevadas propriedades mecânicas e térmicas, aliadas a
baixas propriedades higroscópicas, comparadas às fibras naturais, as fibras
sintéticas são muito utilizadas em aplicações estruturais. As principais fibras
sintéticas são as de aramida, carbono e vidro, sendo que as de vidro são as
mais utilizadas comercialmente, pois, além das satisfatórias propriedades
mecânicas, possuem menores custos quando comparadas às demais fibras
sintéticas (NETO e PARDINI, 2006; LEITÃO, 2007).
As fibras vegetais vêm se tornando uma alternativa viável para
fabricação de componentes que exigem carregamentos moderados,
principalmente devido a algumas limitações apresentada pelas fibras de vidro,
tais como, não biodegrabilidade, alto custo, alta abrasividade - que provoca o
desgaste dos equipamentos -, e os riscos à saúde dos operadores. O uso de
fibras vegetais como refoço de materiais poliméricos na produção de
compósitos tem crescido devido à necessidade de se produzir materiais que
provoquem menores impactos ao ambiente e promovam, consequentemente, a
20
81
sustentabilidade, além do baixo custo dessas fibras quando comparada às
fibras sintéticas. (PEREIRA et al., 2015; BARCELLOS et al., 2009; SILVA et al.,
2008). Sendo assim, o uso de fibras vegetais vem se tornando uma alternativa
para a substituição ou diminuição do uso de fibra de vidro, em virtude da sua
baixa densidade, aparência estética diferenciada, menor abrasividade, o que
provoca menor índice de depreciação em equipamentos de processamento de
polímero (SANTOS et al., 2011; SILVA et al., 2009).
As fibras vegetais, também chamadas fibras lignocelulósicas, possuem
em sua composição química, basicamente celulose, hemicelulose e lignina.
Fibras de sisal, juta, linho, coco, banana, abacaxi, cânhamo, curauá e bagaço
de cana, consistem nas fibras vegetais que são amplamente estudadas como
reforço em poliéster insaturado (PEREIRA et al., 2015). A Tabela 2 apresenta a
composição química dessas fibras vegetais no Brasil, com destque para a fibra
de sisal.
Tabela 2: Tabela de composição química de fibras vegetais
Fonte: Satyanayana et al., 2007; Rowell et al., 2000; Bledzki e Gassan, 1999.
A constituição das fibras vegetais varia com a localização geográfica de
cultivo, idade, clima, solo, espécie e nas diferentes partes da folha. A celulose é
Tipo de Fibra Celulose Hemicelulose Lignina
Abacaxi 83 - 12
Sisal 74 - 75,2 10 - 13,9 7,6 - 8
Curauá 70,7 - 73,6 21,10 7,5 - 11,1
Banana 60 - 65 6 - 8 5 - 10
Juta 60 22,1 15,9
Linho 64,1 16,7 2,0
Cânhamo 57 - 77 - 9-13
Bagaço de Cana 54,3 - 55,2 16,8 - 29,7 25,3 - 24,6
Coco 43,4 - 53 14,7 38,3 - 40,7
21
81
um polissacarídeo semicristalino responsável pela natureza hidrofílica das
fibras naturais e por sua resistência à tração, principalmente (CARVALHO,
2005; WESTMAN et al., 2010; BLEDZKI e GASSAN, 1999). As fibras
celulósicas são compostas de fibrilas, que apresentam em sua constituição
microfibrilas. Essa natureza fibrosa confere à celulose alta resistência, além de
ser insolúvel na maioria dos solventes (CARVALHO et al., 2009).
As propriedades mecânicas e a composição química das fibras vegetais
apresentam alta variabilidade. Em virtude disso, para fins estruturais, as fibras
podem ser submetidas a tratamentos específicos para sua modificação
superficial, possibilitando uma melhor adesão entre fibra e matriz,
homogeneização de suas propriedades e diminuição de sua capacidade de
absorção de umidade (BLEDZKI e GASSAN, 1999).
A estrutura física das fibras vegetais, Figura 9, é composta por fibrilas,
que consistem em um feixe de células individuais. As fibrilas por sua vez são
constituídas por microfibrilas dispostas em camadas de diferentes espessuras
e ângulos de orientação. Cada fibrila possui diâmetro de aproximadamente 10-
50 µm e é formada por paredes circulares que circundam o lúmen,
denominadas de parede primária, secundária e terciária, analisando da parte
externa para a interna (THOMAS et al., 2011). Para Bledzki e Gassan (1999), a
resistência das fibras tem relação com o aumento do teor de celulose e
diminuição do ângulo espiral em relação ao eixo da fibra.
Monteiro et al. (2011) apresentaram resultados satisfatórios utilizando
fibras vegetais como reforço em polímeros para indústrias automobilísticas. O
autor demonstrou que a resistência à tração se mostrou comparável a de ligas
metálicas quando utilizadas fibras vegetais de menores diâmetros previamente
selecionadas.
22
81
Fonte: adaptado de (Thomas et al., 2011).
Figura 9: Estutura física da fibra vegetal.
Na Tabela 3 estão apresentadas as propriedades de algumas fibras
vegetais e fibras sintéticas. Estas apresentaram resistência mecânica,
consideravelmente, maior que as fibras vegetais, no entanto, as fibras
lignocelulósicas apresentaram densidade mais baixa que as fibras sintéticas, o
que viabiliza compósitos mais leves, quando utilizadas como reforço. Como
pode ser observado, na Tabela 3, as fibras de sisal estão entre as fibras
vegetais que possuem maior resistência mecânica à tração, o que justifica
serem amplamente utilizadas como reforço em compósitos poliméricos.
23
81
Tabela 3: Propriedades de fibras vegetais e fibras sintéticas.
Fonte: Monteiro et al., 2011.
Desta forma, os benefícios ambientais, econômicos e sociais motivam
investigações científicas que identifiquem o potencial do uso de fibras
Tipo de Fibra Densidade Tensão Máxima
(MPa)
Módulo de Elasticidade
(GPa)
Bambu
(Bambusa vulgaris)
1,03 - 0,49 106 -
Banana
(Musa sapientum)
0,67 – 1,50 700 - 800 27 - 32
Buriti
(Mauritia flexuosa)
0,63 – 1,12 129 – 254 -
Coco (Cocos nucifera) 1,15 – 1,52 95 – 220 4 – 6
Algodão
(Gossypium M.)
1,51 - 1,60 287 – 800 6 – 13
Curauá
(Ananas erectifolium)
0,57 – 0,92 117 – 3000 27 – 80
Linho
(Linum esitatissimum)
1,30 – 1,50 344 – 1035 26 – 28
Juta
(Corchorus capsularis)
1,30 – 1,45 393 – 800 13 – 27
Piassava
(Attalea funifera)
1,10 – 1,45 109 – 1750 5 – 6
Abacaxi
(Ananas comoscus)
1,44 – 1,56 362 – 1627 35 – 83
Rami
(Boehmeria nivea)
1,5 400 – 1620 61 – 128
Sisal (Agave sisalana) 1,26 – 1,50 287 – 913 9 – 28
Madeira macia 0,46 – 1,50 112 – 1000 11 – 40
Vidro 2,50 – 2,58 2000 – 3450 70 – 73
Carbono 1,78 – 1,81 2500 – 6350 230 – 400
Aramida 1,44 3000 – 4100 63 – 131
24
81
lignocelulósicas para o desenvolvimento de novos materiais de engenharia.
Fica evidente a importância de estudos que viabilizem o uso destas fibras
reduzindo as desvantagens e potencializando os benefícios apresentados. A
incorporação de fibras naturais, em substituição às fibras sintéticas, pode
contribuir para o desenvolvimento de materiais que sejam biodegradáveis
contribuindo para sustentabilidade do meio ambiente.
2.4.1 Massa específica das fibras por picnometria a gás hélio
A determinação da massa específica de materiais de composição
lignocelulósica, como as fibras vegetais em questão, deve considerar o alto
índice de porosidade e microfissuras presentes nessas amostras. A
picnometria a gás hélio é o método mais indicado, por se tratar de um gás
inerte e com baixo peso molecular, o que permite fácil penetração em poros
com dimensões na escala mícrons (STRAIT et al., 1995).
O valor da densidade é considerado real caso a amostra não apresente
poros oclusos que impeçam a penetração do gás, caso contrário a densidade é
considerada aparente. Assim, a densidade do material lignocelulósico
analisada por picnometria a gás hélio é real caso o gás injetado na amostra
consiga penetrar os poros do material, sendo possível medir o volume da
substância lenhosa, já que é descontado o volume dos poros ou lúmem,
preenchido pelo gás, ao volume total da amostra (OLIVEIRA, 2010).
O ensaio de picnometria a gás hélio é realizado em um equipamento
denominado de picnômetro a gás, em que um recipiente (câmara da amostra) é
preenchido com amostra para análise e colocado em uma câmara de
expansão. A amostra na respectiva câmara é sujeita a um processo de
desgaseificação, antes do ensaio e leitura da densidade, que consiste em
sucessivas repetições de purgas com hélio para remoção de impurezas e
umidade que possam existir na amostra (MOURA; FIGUEIREDO, 2002).
O cálculo do volume de sólido pode ser obtido a partir da seguinte
equação proposta por Smith (1996), admitindo o comportamento do gás ideal:
25
81
esasa VVVPVVP 21 (2)
Onde,
12
1
P
P
VVV e
as (3)
Sendo:
1P : pressão inicialmente aplicada.
2P : pressão final (posteriormente à queda de pressão).
aV:
volume da câmara da amostra.
sV: volume do sólido.
eV : volume da câmara de expansão.
A densidade é obtida automaticamente pelo picnômetro a gás, por
intermédio da relação entre a massa do sólido inserida como dado de entrada e
o volume do sólido derivado da equação 3, por intermédio da variação da
pressão de gás em uma câmara com volume conhecido.
2.4.2 O sisal
O sisal (Agave sisalana) é uma planta originária do México cujas fibras
são extraídas das folhas. As características climáticas do semiárido Nordestino
favoreceram o desenvolvimento desta cultura, que tem fácil adaptação em
climas quentes, regiões secas, com solos pouco férteis, que não favorecem
outros tipos de cultivos (FAO, 2015; ANDRADE et al, 2011). A Figura 10
apresenta uma plantação típica do sisal na Bahia.
26
81
Fonte: (Andrade et al., 2011).
Figura 10: Sisal (Agave sisalana).
A cadeia produtiva do sisal pode ser resumida em quatro fases gerais:
cultivo da planta, desfibramento da folha, beneficiamento da fibra e
industrialização. Após o plantio e o cultivo, ao atingirem o comprimento de 1,20
a 1,40 m, as folhas de sisal são cortadas no próprio local de cultivo. Logo em
seguida, as plantas são dispostas em feixes (enfeixamento) para serem
transportadas, em geral, usando como transporte um animal de carga até o
local de desfibramento, o qual é realizado em uma máquina denominada
“paraibana”, originada na década de 1950. As operações de corte,
enfeixamento, transporte e desfibramento devem ser organizadas de modo a
ocorrerem no mesmo dia, a fim de evitar o murchamento das folhas cortadas e
dificultar a etapa de desfibramento e, por consequência, ocasionar a
depreciação da fibra. Após o desfibramento, as fibras são expostas ao sol pelo
tempo de 8 a 10 horas para secagem. As etapas descritas até o presente
momento ocorrem no espaço rural (DIAS et al., 2015).
Uma das maiores preocupações refere-se à segurança do operário no
manuseio da máquina de desfibramento que é responsável por inúmeros casos
de mutilações. Embora existam projetos de máquinas mais automatizadas,
conhecidas como Faustino 1, 2, 3 e 4, como alternativa ao motor paraibano,
ainda não foram efetivadas (DIAS et al., 2015).
27
81
Após o período de secagem, as fibras são enfardadas e levadas às
cidades e povoados, para as unidades de beneficiamento em que nas
máquinas denominadas “batedeiras” são removidas as impurezas, deixando-as
com aspecto brilhoso, para posteriormente serem levadas para a fase de
beneficiamento, nas indústrias (SILVA et al., 2008; ANDRADE et al., 2011;
DIAS et al., 2015). Após essa etapa, ocorre um enfardamento com
aproximadamente 250 kg de fibra de sisal, com seleção e identificação
mediante as normas do Ministério de Agricultura e Abastecimento (MAPA).
Posteriormente, essas fibras são fornecidas comercialmente para as
indústrias da Bahia e de outros estados, assim como, para o mercado
internacional, em forma de fibra ou transformada em fios, cordas, tapetes,
capachos e mantas. Somente então, pequena fração dessas fibras é atribuída
às cooperativas ou associações de artesanato de sisal (EMBRAPA, 2015). A
Figura 11 apresenta um resumo panorâmico da cadeia produtiva do sisal,
exposta acima, e as etapas de trabalho vinculadas a cada fase.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 11: Esquema da cadeia produtiva do sisal.
Atualmente, o principal produto do agave sisalana são as fibras
estruturais contidas nas folhas, de ampla utilização nas indústrias de cordas,
28
81
tapetes, capachos e carpetes. No entanto, o processo de beneficiamento da
fibra do sisal origina subprodutos que, embora, já se tenha identificado valor
econômico, ainda não são aproveitados em escala industrial e comercial por
falta de investimentos. Como exemplo, tem-se o aproveitamento de mucilagem
como complemento alimentar para rebanhos bovinos e caprinos; a bucha,
como adubo orgânico; o suco, rico em ecogenina, que serve como
medicamento, como bioinseticida, no controle de lagartas e carrapatos e como
sabonetes e pastas cicatrizantes (DIAS et al., 2015).
De acordo com Andrade (2011), a qualidade das fibras de sisal ainda é
um desafio a ser superado no sistema de produção brasileiro. As fibras chegam
na etapa de beneficiamento com umidade superior a 13%, devido a secagem
precária, além de coloração escura, fibras curtas misturadas com fibras longas
e danos provocados por animais. Fatores este que, além de afetar a qualidade
das fibras depreciam o valor pago aos agricultores, uma vez que nestas
condições são classificadas como refugos.
Observa-se que o processo produtivo do sisal no Brasil ainda é
rudimentar com máquinas obsoletas, processos manuais e transporte animal,
com baixo nível tecnológico envolvido, fato que diminui o potencial produtivo do
sisal no país. A introdução de melhorias, como investimentos tecnológicos e
inovações nos processos, é urgente para impulsionar o cultivo, a produção e o
desenvolvimento da espécie na região.
A APAEB classifica as fibras de sisal como tipo 1 (fibras longas, alvas,
limpas e puras), utilizadas para fiação, tecelagem e artesanato; tipo 2 (fibras
longas, limpas e puras), utilizadas para fiação, tecelagem e artesanato; refugo
(fibras de tamanho variado, cores variadas e alto nível de impurezas), utilizado
para mantas, cordas e celulose, e bucha (subproduto da fibra, coloração
variada, poucas impurezas), utilizadas na fabricação de mantas e celulose. A
figura 12 ilustra a classificação da fibra de sisal, segundo a qualidade da fibra,
exposta acima.
29
81
Fonte: (Apaeb, 2016).
Figura 12: Classificação das fibras.
Os altos teores de celulose na composição química do sisal como visto
na Tabela 2, conferem à fibra resistência mecânica satisfatória, conforme
Tabela 3, o que justifica a crescente utilização do sisal como reforço de
materiais compósitos utilizado na engenharia. No entanto, a variabilidade
presente nas fibras vegetais, torna-se um problema na garantia das
características físicas dessas fibras.
2.4.3 Tecido de fibra de sisal
As fibras devem estar alinhadas com os esforços principais que atuarão
na estrutura, pois, para fins estruturais a distribuição das fibras na matriz
exerce significativa influência nas propriedades dos compósitos. Assim sendo,
a ordenação das fibras em forma de tecido introduzirá melhorias nas
propriedades mecânicas dos materiais compósitos. Os tecidos são formados
por fios unidos entre si, por força de contato, através do intertravamento dos
mesmos por intermédio de diferentes métodos de confecção (CARVALHO,
2005).
30
81
As fibras contínuas podem ser produzidas na formação das camadas
individuais do laminado em uma variedade de formas geométricas. Para isso,
podem ser utilizadas tecnologias desenvolvidas originalmente para processos
têxteis, que dividem os tecidos em três classes a seguir, tecido tramado, tecido
trançado e tecido tricotado (HULL; CLYNE, 1996). A diferença entre os tecidos
está na forma como os fios são arranjados.
Segundo Gommers et al. (1998), os mais utilizados como reforço em
plásticos, principalmente no que se refere à produção de compósitos de alto
desempenho, são os tecidos tramados e sua confeccção pode ocorrer através
da tecelagem automática ou manual dos fios. Cerchiaro (2010) define tecidos
tramados como sendo uma formação intercalada de cordões em duas direções.
Os fios na direção longitudinal são denominados urdume, e os fios na direção
transversal são chamados trama como pode ser observado na Figura 13.
.
Fonte: (Pardine et al., 2006).
Figura 13: Esquema de tecido tramado.
Hoa (2009) classifica os tipos mais comuns de tecelagem tramada como
tafetá, cesta, cetim e arnês de cetim. John, Thomas (2008) identifica os
mesmos tecidos, respectivamente, como simples, cesto, cetim e sarja, esta
última classificação será adotada neste trabalho.
31
81
Fonte: (Hoa, 2009).
Figura 14: Esquema dos tipos de arranjos de tecidos tramados: a) simples; b) cesto;
c) cetim e d) sarja.
O espaçamento entre os fios (que determina a densidade); a torção, a
dimensão, o tipo de arranjo e a natureza do tecido são parâmetros que regem
as propriedades mecânicas dos tecidos tramados. Dentre as quatro
subdivisões dos tecidos tramados já citados, os mais frequentes são os tipos
simples, obtidos pelo cruzamento alternado de fios perpendiculares e o tipo
sarja, que consiste no cruzamento alternado de três ou mais fios. Os tecidos
técnicos unidirecionais apresentam arranjos de fios distribuídos em uma única
direção, podendo conter os fios transversais apenas para manter os fios
longitudinais unidos. Esses tecidos são utilizados em aplicações estruturais,
principalmente, quandos as tensões aplicadas são conhecidas e quando é
conveniente alinhar os fios na direção das tensões, garantindo assim melhor
otimização das propriedades das fibras (CARVALHO, 2005; THOMAS, 2011).
O laminado, deste trabalho, foi fabricado com sequência de
empilhamento do tecido unidrecional de sisal, apresentado a cima, reforço da
matriz polimérica. Na Tabela 4 estão apresentados os resultados de resistência
à tração e módulo de elasticidade, obtidos por Cerchiaro (2010) para a fibra de
sisal e o tecido unidirecional de sisal.
a) b) c) d)
32
81
Tabela 4: Propriedades mecânicas da fibra e do tecido de sisal.
Reforço Resistência à Tração
[MPa]
Módulo de Elasticidade
[GPa]
Fibra de sisal 301,1 24,9
Tecido Unidirecional de sisal 145,05 6,24
Poliéster 24,83 0,48
Fonte: Cerchiaro, 2010.
2.5 PROCESSO DE LAMINAÇÃO MANUAL – HAND LAY UP
O processo de laminação manual consiste em dispor sobre um molde o
material de reforço, fibra de vidro, aramida ou carbono seguido da aplicação de
resina sobre as fibras. Nesse método a resina deve ser difundida,
uniformemente, sobre a fibra mediante esforço manual até a polimerização final
da resina. O número de repetições da operação está relacionado com a
quantidade de camadas do laminado que, por sua vez, definirá a espessura do
compósito obtido. No entanto, por se tratar de uma reação exotérmica, com
liberação de calor pela catalização e polimerização da resina, não é possível
laminar mais que duas ou três camadas de uma só vez. A depender do produto
construído e da espessura do laminado, a temperatura pode chegar a 80ºC
(NASSEH, 2008).
A laminação da camada deve seguir a sequência de empilhamento
determinada para o desenvolvimento do produto final requerido (CÂNDIDO et
al., 2000). Para a eliminação de saliências, rugas, retenção de ar ou
desalinhamento das fibras, com consequente produção de um laminado de
qualidade, é imprescindível a utilização de um rolo para a compactação das
camadas (LEE, 1999).
Atualmente o processo de laminação manual, Figura 15, é muito
utilizado na produção de fôrmas requeridas para a fabricação de compósitos,
embora a existência de técnicas mais sofisticadas, com uso de vácuo, pressão
33
81
e temperatura, a maioria das peças vai exigir uma fôrma feita com laminação
manual. O processo de hand lay up tem bom desempenho no desenvolvimento
de peças como pequenos barcos, piscinas, banheiras, caixas d’água e outras
peças de pequeno porte. Outros métodos de laminação mais avançados
diminuem a competitividade deste processo, principalmente no que diz respeito
à eficiência, resistência e velocidade de construção e custo (NASSEH, 2008).
Fonte: (Nasseh, 2008).
Figura 15: Laminação manual (hand lay up).
Uma das questões relevantes a ser considerada no processo de
laminação é a preparação da fôrma, em que será moldado o laminado, que
deve ser de boa qualidade, pois, a presença de reentrâncias ou imperfeições
diminui a possibilidade de se obter peças aceitáveis. A laminação em fôrmas
de baixa qualidade pressupõe um maior tempo despendido no acabamento e
polimento da mesma, ou até no descarte da peça produzida, principalmente
quando o aspecto estético é fator relevante. Um desmolde eficiente entre a
peça de compósito e a fôrma exige a aplicação de desmoldantes ao molde,
anterior ao processo de laminação. Os desmoldantes comumente utilizados
são as ceras em pasta e os desmoldantes líquidos do tipo semipermanente. Os
fabricantes de resina poliéster especificam que a quantidade de catalisador,
Peróxido de Metil Etil Cetona (MEKP), deve situar-se em uma taxa de 1% a 2%
(NASSEH, 2008).
34
81
2.5.1 Fração volumétrica de fibra e matriz
Segundo Agarwal et al., (2006), um dos fatores que mais afetam as
propriedades dos compósitos são as proporções relativas de matriz e fibra que
o compõem. Essas proporções podem ser obtidas por fração volumétrica ou
fração de massa. A fração volumétrica é usada exclusivamente nas análises
teóricas, e a fração de massa é facilmente obtida durante a produção do
compósito. Os índices c, f e m são usados, respectivamente, para representar
compósito, fibra e matriz; v o volume e m a massa, e, representando,
respectivamente a fração de volume e a fração de massa, V e M, definidos
seguir:
mfcvvv (4)
c
f
fv
vV
(5)
c
m
mv
vV
(6)
mfcmm m (7)
c
f
fm
mM
(8)
c
m
mm
mM
(9)
Sabendo-se que massa específica (ρ) tem como expressão:
v
m (10)
35
81
A conversão de fração de massa em fração volumétrica pode ser feita com a
eq. (11) e (12).
ff
cf
MV
(11)
mMV
m
cm
(12)
A relação inversa pode ser obtida similarmente pela eq. (13) e (14).
fc
f
fVM
(13)
mc
mm
VM
(14)
2.5.2 Fração volumétrica de vazios (porosidade)
Os vazios podem estar presentes em todos os tipos de compósitos,
embora sua incidência varie com a forma de fabricação e o tipo de matriz. Os
vazios frequentemente se formam próximos às fibras, como resultado da
infiltração incompleta da resina durante o processamento. Podem se
desenvolver também, em regiões com bolsões ricos em matriz, e em regiões
com fibras livres entre as camadas (HUL; CLYNE, 1996). Desta forma, as
causas de formação dos vazios nos compósitos são variadas podendo estar
relacionadas, também, com a umidade absorvida pelo reforço durante sua
armazenagem, ciclos inaquedados de cura no processo de laminação,
relacionados com pressão e temperatura empregados (WIEDEMANN; ROTHE,
1986; COSTA et al., 2001).
Duas causas para a formação de vazios tem sido foco de diversos
autores. A primeira consiste no aprisionamento de gás através da impregnação
da fibra com resina ou durante a laminação e a segunda é proveniente de
36
81
substâncias voláteis decorrentes da própria resina (OLIVIER et al., 1995). A
extensa preocupação acerca da presença de vazios no laminado se dá
principalmente em virtude de seu impacto nas propriedades mecânicas dos
compósitos, podendo afetar essas propriedades de forma significativa. Altos
teores de vazios estão associados à baixa resistência à fadiga, maior
suscetibilidade à penetração de água e intemperismo, e aumento da variação
ou dispersão nas propriedades de resistência. O conhecimento do teor de
vazios no compósito permite se estabelecer uma estimativa da qualidade do
material (ASTM D2734 - 03; AGARWAL et. al., 2006).
Zhang et al. (2011) ao investigar os efeitos dos vazios nas respostas
de fadiga e flexão estática de laminados carbono/epóxi identificou uma redução
de ambas as propriedades com o aumento da porosidade. Costa e Rezende
(2001), ao analisar os efeitos da porosidade, através do ensaio de resistência
ao cisalhamento interlaminar em compósitos carbono/epóxi de tecido e de tape
(fitas unidirecionais) confirmaram que, quanto maior o teor de vazio existente,
menor sua resistência ao cisalhamento interlaminar. Concluíram também que a
resistência mecânica é reduzida para os laminados de tecido carbono/epóxi
que apresentem teores de vazios acima de 0,9% e para os laminados tape de
carbono/epóxi com teores de vazios acima de 0,75%. Oliveira et al. (2014)
analisaram os efeitos da utilização de aditivos desaerantes nas propriedades
finais dos compósitos com mantas ou tecidos de fibra de vidro/epóxi, para
diminuir a quantidade de bolhas de ar aprisionadas pelo processo de resin
transfer molding (RTM light). Concluíram que a incorporação de agente
desaerante apresentou bons resultados de resistência ao cisalhamento e de
dureza, contribuindo para a melhoria da qualidade dos compósitos.
Segundo Hull; Clyne (1996), existem dois principais métodos para
avaliar o teor de vazios dos materiais, inclusive compósitos. O primeiro consiste
na análise de uma seção polida (método de seccionamento) para a
identificação dos vazios manualmente ou usando técnicas automáticas. Esse
método tem a vantagem de permitir a identificação da localização e a forma
37
81
dos vazios, porém, é impreciso uma vez que pequenos vazios são difíceis de
serem detectados e até mesmo vazios de maior dimensão são distorcidos pelo
fluxo da matriz ou pela presença de fragmentos de fibra durante o polimento.
Sendo difícil, nesse método, estabelecer uma média de teor de vazios na
amostra sem examinar um grande número de secções. A segunda técnica não
apresenta a maioria dos problemas citados à cima, porque envolve uma maior
precisão, pois utiliza a densidade experimental da amostra.
Outro método é o ultrasonic scanning (C-scan) – escaneamento
ultrassônico que pode ser usado para um exame qualitativo, não destrutivo, da
distribuição de vazios, assim como, identificação das falhas por delaminação
nos compósitos. A amostra é escaneada por um pulso ultrasônico e são
medidos os valores de atenuação do som no material. Esse método é útil
normalmente no controle da qualidade de materiais em forma de chapa (HUL;
CLYNE, 1996). O ensaio ultrassônico permite a caracterização do compósito
concernente à qualidade de cura, áreas ricas ou pobres em resina,
desalinhamento de fibras, delaminação, porosidade, trincas interlaminares,
inclusões, danos por ferramentas, danos por impacto e degradação ambiental
(ALMEIDA e NOGUEIRA, 1994; STONE e CLARK, 1975).
A norma ASTM D2734 - 03 apresenta um método, não destrutivo, para
calcular o teor de vazios, através da comparação entre a densidade teórica e a
densidade experimental dos compósitos. As densidades da resina, do reforço e
do compósito são obtidas individualmente de forma experimental, ou fornecidas
pelo fabricante. O teor de resina e de reforço é calculado por uma porcentagem
em massa dos dados disponíveis para a amostra analisada. A densidade
teórica do compósito pode ser calculada pela equação 15. O teor de vazios é
calculado a partir da diferença entre densidade teórica e experimental em
relação à teórica, comforme expressão 16. Um compósito é considerado de
boa qualidade quando apresenta um teor de vazios de até 1%; valores maiores
que 1% representa a baixa qualidade do material.
38
81
)//(100 drDRTd (15)
Sendo:
dT : densidade teórica dos compósitos.
r : massa da resina em (%).
D : densidade da resina.
R : massa do reforço em (%).
d : densidade do reforço.
ddd TMTV )(100 (16)
Sendo:
V : fração volumétrica de vazios em (%).
dT : densidade teórica dos compósitos.
dM : densidade experimental dos compósitos.
2.6 PROCESSO DE USINAGEM: FURAÇÃO
A união entre peças por meio de ligações mecânicas pode exigir a
prévia execução de furos dos membros a serem unidos para a fixação dos
conectores. Em vista disso, as operações de furação são imprescindíveis para
a realização destas intervenções, sendo assim o estudo dos mecanismos e
parâmetros que envolvem essas operações faz-se fundamental, em virtude,
dos danos que a execução de furos causa ao material.
Segundo Chiaverini (1986), o processo de usinagem, muito utilizado em
peças metálicas, proporciona o acabamento da superfície de peças fundidas ou
conformadas mecanicamente, seja para melhorar o aspecto superficial, seja
para alcançar dimensões mais precisas conforme especificação de projeto. A
usinagem também permite a fabricação de peças seriadas a baixo custo, e a
produção de peças de formas diversificadas a partir de um bloco metálico.
Embora a grande diversidade de operações de usinagem destaque-se a
seguinte classificação: torneamento, aplainamento, furação, madrilamento,
39
81
fresamento, serramento, brochamento, roscamento e retificação. São
abundantes os tipos de ferramentas de corte e as máquinas operatrizes,
responsáveis pela fabricação de peças de diversos materiais.
A produção por usinagem é feita por meio da remoção do excesso de
material (cavaco) retirado pela ferramenta. A complexidade desse processo se
refere às dificuldades na determinação das condições ideais de corte, porém,
uma vez determinada essas condições a operação ocorre naturalmente sem a
intervenção do operador. As condições ideais de corte referem-se à escolha
adequada da geometria, do material da ferramenta, do fluido de corte, da
velocidade de corte e da velocidade de avanço para uma profundidade pré-
determinada (MACHADO et al., 2011).
A furação é o método de usinagem para abertura de furos mais
comumente empregada. No entanto, apresenta limitações na execução de
furos com grandes diâmetros e profundidades, sendo necessária, nestes
casos, a utilização de processos especiais de furação (PANGRÁCIO, 2003).
Segundo Chiaverini (1986), a furação consiste na operação de usinagem
que tem por finalidade a abertura, o alargamento e o acabamento de furos em
peças, que vão de diâmetros com dimensões da ordem de milímetros a
centímetros. A ferramenta para o processo de furação chama-se broca e
realiza dois movimentos, um giratório contínuo e um retilíneo de avanço,
segundo o eixo de perfuração. Esses movimentos de rotação e de avanço são
produzidos por máquinas operatrizes denominadas furadeiras.
A furação é uma operação caracterizada por dois fenômenos
denominados de extrusão e de corte, sendo o primeiro exercido pela ponta da
broca, cuja velocidade é nula ou quase nula e o segundo promovido pelas
arestas cortantes, em movimento de rotação, em torno de um eixo, a uma
determinada velocidade (DURÃO et al., 2004).
O movimento de corte promovido pela velocidade de corte (vc) é
responsável pela rotação da ferramenta, o movimento retilíneo de avanço
proporcionado pela velocidade de avanço (vf) é responsável pela penetração
40
81
da ferramenta na peça e o movimento efetivo proporcionado pela velocidade
efetiva (ve) é a resultante entre as velocidades de corte e de avanço
(STEMMER, 1992). Uma representação cinemática do processo de furação
pode ser vista na Figura 16.
Fonte: (Cordeiro, 2010).
Figura 16: Esquema Cinemático da furação.
2.6.1 Furação em compósitos
Na indústria mecânica, a execução de furos consiste em uma operação
muito utilizada em peças, tendo por finalidades condução de fluidos,
alojamento de rolamentos, interiores de roscas, acoplamento de eixos, buchas,
fixação etc. O setor metal - mecânica apresenta diversificadas alternativas para
a execução dos furos a depender da forma e das condições que se deseja
executá-lo nas peças. Os processos tradicionais para a execução de furos são
o fresamento e a furação, que são processos de usinagem realizados por
remoção de material gerando cavaco, sendo necessário, em geral, um
processo posterior de acabamento dimensional e superficial para melhorar a
qualidade final dos furos (PANGRÁCIO, 2003). Na indústria da construção civil
a função dos furos se restringe a uniões entre as partes ou em uma estrutura,
com a finalidade de fixação e restrição de movimento.
41
81
Existe processos não convencionais para execução de furos, tais como
corte a laser, corte por jato d´água, corte por jato d´água abrasivo, corte por
ultrassom, corte por descarga elétrica, corte por feixe de elétrons e corte
eletroquímico, uma grande variedade desses processos não convencionais
está disponível para o corte de compósitos. A baixa usinabilidade dos
compósitos devido a sua maior dureza, abrasividade, e baixa resistência
térmica, assim como, a necessidade de se obter formas complexas, evitar
fissuras superficiais, tensões residuais, alta precisão ou miniaturização de
peças e superfícies torna vantajosa a escolha dos métodos não convencionais
(DURÃO, 2005). Visando uma melhor eficiência das uniões mecânicas Tang et
al. (2014) utilizaram a técnica não convencional de corte por jato d´água para a
abertura de furos em placas de espessura de 5 mm de compósitos reforçado
com carbono para estudo de ligações parafusadas. A seleção do processo está
relacionada com o material a ser usinado, o tipo de furo a ser executado, a
relação comprimento/diâmetro, o acabamento superficial e dimensional; e as
tolerâncias geométricas (PANGRÁCIO, 2003).
A heterogeneidade e a anisotropia dos compósitos tornam o processo
de usinagem nesses materiais, ainda mais complexo. As propriedades do
compósito são diretamente dependentes das propriedades dos materiais
utilizados como reforço e matriz. A fração volumétrica, a orientação, a
sensibilidade ao calor, a abrasividade das fibras (sintéticas) e as sequências de
empilhamento do laminado influenciam nas propriedades do compósito e por
conseqüência na sua usinagem. Portanto, quando um desses elementos é
alterado o resultado final também se altera, assim, o resultado obtido para um
determinado polímero reforçado com fibra (PRF) pode não ser válido para outro
PRF (DURÃO et al., 2006). Devido a essas particularidades dos compósitos
(heterogeneidades e anisotropia) o seu acabamento superficial não pode ser
comparado ao acabamento alcançado pela furação em peças metálicas
(TAGLIAFERRI et al., 1990).
42
81
A natureza não homogênea dos compósitos pode provocar defeitos na
superfície do laminado durante a operação de furação, provocando danos ao
redor do furo, tais como delaminação, fissuras interlaminares, arrancamento de
fibras, descolamento fibra-matriz e danos térmicos, defeitos estes que podem
provocar perdas nas propriedades mecânicas dos compósitos (VALENTE,
2001; BONGIORNO, 1998; ABRATE, 1997). Outro aspecto a ser considerado é
o desgaste excessivo das ferramentas que requer sua substituição frequente
devido à abrasividade dos compósitos, considerando fibras sintéticas como
reforço, e a baixa condutividade térmica que provoca maior aquecimento da
ferramenta, que, por conseguinte afeta o ciclo de produção (DURÃO et al.,
2004; ABRATE, 1994).
Dentre todos os problemas citados referentes à operação de furação em
compósitos o mais grave é a delaminação que consiste no deslocamento de
camadas adjacentes do laminado e tem, como consequência, a perda das
propriedades mecânicas ao redor da zona de ligação, o que origina uma perda
da resistência estática e da resistência à fadiga (PERSSON, 1997).
Os danos por delaminação podem ser divididos em danos que ocorrem
à entrada “peel-up” e à saída “push-down”. Quando a delaminação ocorre na
zona de entrada, início do contato entre a broca e a placa tem-se a
delaminação à entrada ou “peel-up” conforme Figura 17a. Caso o dano ocorra
após a saída da ponta da broca, na extremidade oposta tem-se a delaminação
à saída ou “push-down”, como Figura 17 b (DAVIM, 2007).
Fonte: adaptado de (Kavad, 2014).
Figura 17: Representação esquemática dos mecanismos de delaminação: a)
delaminação à entrada “peel-up” e b) delaminação à saída “push-down”.
a)
Laminado
Interface
b) a)
43
81
A delaminação à entrada, denominada “peel-up” ocorre imediatamente
após o primeiro contato da ponta da broca com o laminado, conseqüência da
ação de abrasão. A força de corte age na direção periférica tendendo a puxar o
laminado para cima ao longo das espiras da broca, ao invés de ser cortado
completamente. Este fato resulta na separação das lâminas superiores das
demais camadas do laminado pela ação descendente da força axial, o avanço.
Em geral a redução da velocidade de avanço é suficiente para diminuir esse
tipo de delaminação (EL-SONBATY, 2004; HOCHENG, DHARAN, 1990).
O segundo tipo de delaminação “push-out” ocorre quando a broca atinge
a saída do material. À medida que avança o processo de furação, a broca
atinge as camadas inferiores do laminado. Neste momento há uma diminuição
da espessura não cortada, e por consequência, diminuição da resistência à
deformação das camadas inferiores do laminado. No momento em que a força
axial de corte atinge estas regiões e excede a força de ligação inter laminar do
laminado, ocorre a ruptura da camada, antes de haver a entrada completa da
broca no laminado, provocando uma zona de delaminação na saída da
ferramenta. Uma adequada seleção do material, da geometria da broca, das
condições de corte (velocidade de avanço e de corte) pode reduzir esse tipo de
delaminação, pela diminuição da força axial. Na prática a delaminação “push-
out” é mais grave que a delaminação “peel-up” (EL-SONBATY, 2004;
HOCHENG, DHARAN, 1990).
Fica evidente, então, que a delaminação e demais danos causados pela
furação nos compósitos devem ser evitados e controlados por prejudicar o
desempenho e vida útil dos laminados usinados. Torna-se, então, importante o
estudo e a investigação desses danos quando se analisa as conexões por meio
de parafusos e rebites, que exigem a furação como elemento essencial à
ligação entre as partes.
Chen (1997) propõe um fator que permite a mensuração da qualidade
dos furos após a operação de furação, possibilitando a avaliação da extensão
dos danos provocados pela delaminação nos compósitos. Esse fator,
44
81
denominado fator de delaminação (Fd) é definido como a relação entre o
diâmetro máximo da zona de delaminação (Dmáx) e o diâmetro nominal do furo
(D) como é mostrado a seguir:
D
DF Máx
d
(17)
A Figura 18 a apresenta um esquema representativo do diâmetro
máximo de delaminação (Dmáx) e do diâmetro nominal (D) dos danos ocorridos
à orla do furo. Estes parâmetros são representados por Kilickap (2010) em uma
imagem ilustrativa presente na Figura 18 b.
(a) (b)
Fonte: (Kilickap, 2010).
Figura 18: a) Esquema dos danos de delaminação e b) Imagem ilustrativa da zona de
delaminação ao redor do furo.
Segundo Durão et al. (2013) a inspeção visual é insuficiente para
identificar a presença da delaminação no compósito, isto por que, o dano
referido não ocorre apenas nas camadas externas do laminado, mas também,
em seu interior. Assim sendo, diversos autores exploram os métodos não
destrutivos, na análise desses danos, tais como varredura digital (scanner
digital) em placas de poliéster reforçada com fibras de sisal, estudadas por
45
81
Sasikumar (2015), microscopia óptica em laminados com matriz epóxi
reforçado com fibra de carbono em Davim e Reis (2003) e matriz epóxi
reforçada com fibra de vidro em Faria (2007), radiografia digital por contraste
em matriz epóxi reforçada por fibra de carbono em Durão et al. (2011) e
varredura ultrassônica (C-Scan) em compósitos de epóxi reforçado com fibra
de carbono por Tsao et al. (2012). Essas técnicas de imagiologia devem ser
complementadas com técnicas de processamento e análise de imagem, em
que será possível a obtenção de dimensões como diâmetros ou áreas para
possibilitar a caracterização do dano envolvido (DURÃO et al., 2013).
O uso de programação com sistema de comando numérico
computadorizado (CNC) para a execução de furos está sendo cada vez mais
difundida devido a sua praticidade e a disponibilidade dos recursos de
programação. Este sistema permite uma versatilidade na realização de formas
e operações complexas (PANGRÁCIO, 2003).
Ampla quantidade de autores ao estudar a operação de furação em
compósitos utilizou-se de máquinas equipadas com sistema CNC. Santhanam;
Chandrasekaran (2014) estudaram o comportamento da furação de compósitos
híbridos com matriz epoxídica reforçada com fibra de banana-vidro utilizando
para a execução dos furos a máquina MTAB-DENFORD CNC. Durão et al.
(2011) estudou a delaminação na furação de laminados carbono-epóxi e na
abertura dos furos utilizou-se do centro de maquinagem CNC DENFORD Triac
Centre. Valente (2012) ao investigar as juntas mecânicas em compósito
epoxídico reforçado com fibra de vidro, utilizou o centro de usinagem CNC
testando dois métodos de furação, convencional e furação orbital. Rahme et al.
(2015) investigaram a delaminação na furação de compósitos espessos
utilizando para os ensaios de furação o centro de usinagem CNC (DMG DMU
50). Vinayagamoorthy et al. (2014) analisaram a otimização da força axial e do
torque durante a furação de compósitos sanduíche reforçados com fibras
naturais (vetiver e junta) e fibra sintética (fiber glass) utilizando na operação de
furação o centro de maquinagem vertical CNC.
46
81
Atualmente é cada vez mais comum o uso de máquinas, de diversos
fabricantes, para quase todo tipo de usinagem que apresente comando
numérico. O Comando Numérico Computadorizado (CNC) permite a produção
de peças com menor tempo, melhor qualidade, maior eficiência aumentando
assim, a produtividade. A programação com auxílio do computador propicia
maior rapidez e maior segurança contra erros. Algumas funções do CNC
permitem o controle da operação através da medição em tempo real das
variáveis do processo. A velocidade de corte, o avanço, a potência consumida,
as dimensões da peça e o nível de vibrações são algumas das medições, a
partir das quais o comando calcula e ajusta os parâmetros de usinagem para
que seja atingido um desempenho ótimo do processo (ENSITEC, 2007).
2.7 LIGAÇÕES MECÂNICAS EM MATERIAIS COMPÓSITOS
As ligações são caracterizadas como estruturais quando a integridade é
fator fundamental para o funcionamento e segurança da estrutura. A união
entre membros de polímeros reforçados com fibras (PRF) pode ocorrer por
juntas mecânicas (“mechanical joint”), juntas coladas (“bonded joints”), juntas
intertravadas (“interlocking joint”) ou uma combinação destas (DUTHINH,
2000).
Segundo Messler Jr. (2004) as uniões mecânicas consistem no método
mais antigo utilizado pelo homem para unir componentes, como a exemplo da
primeira ferramenta primitiva, que consistiu em uma pedra fixada em uma
forquilha através de uma tira de fibra vegetal ou animal. A expansão da
utilização de métodos de fixação mecânica em diversas indústrias provoca uma
crescente demanda e expectativa por melhores desempenhos dessas
conexões.
Em estruturas ou no desenvolvimento de produtos finais, nota-se a
necessidade de unir os componentes ou membros utilizando-se de
mecanismos de ligação. Essas uniões têm a função primordial de transferir as
cargas aplicadas de um elemento para o outro ou criar movimentos relativos
47
81
entre si, a depender da finalidade para a conexão foi criada. Em geral são
locais propensos a falhas por representar uma descontinuidade no material
promovendo concentrações de tensão nestas regiões (AGARWAL et al., 2006;
VALENTE, 2012).
A presença de defeitos tais como poros, trincas, imperfeições, entalhes
ou furos em um material faz com que a tensão aplicada aumente a sua
intensidade provocando concentração de tensões, localizada na extremidade
do defeito. Pelo fato destes defeitos provocarem o aumento de tensões em
suas proximidades são chamados de concentradores de tensão e essa
concentração dependerá da orientação e geometria da trinca. (CALLISTER,
2012; MALLICK, 2008).
Na Figura 19 é possível observar que o aumento de tensão ocorre à
medida que se aproxima da extremidade do furo, apresentando tensão
máxima, quanto mais distantes da descontinuidade a tensão tende a se
aproximar da tensão nominal.
Fonte: (Mallick, 2008).
Figura 19: Perfil de tensões ao redor de um furo ao longo da secção transversal.
Conforme Mallick (2008) a introdução de conectores como parafusos,
rebites ou pinos, para promover a união mecânica, requer a abertura de furos,
contudo estes elementos são considerados como redutores da resistência do
compósito e podem causar falhas estruturais, por força da alta concentração de
48
81
tensão que surgem na região de abertura dos furos. Assim sendo, faz-se
imprescindível o estudo dos efeitos causados na resistência dos compósitos e
danos provocados pela presença dos furos nestas regiões.
As ligações parafusadas são amplamente utilizadas entre componentes
metálicos pelas indústrias automotivas, aeroespaciais, aeronáuticas,
ferroviárias e em aplicações da engenharia civil, principalmente em virtude da
facilidade que oferecem na montagem e inspeção (DE BENEDETTI et al.,
2007; DRAVID et al., 014; LAW et al., 2004; OLMEDO, SANTIUSTE, 2012).
Para Duthinh (2000), durante certo período, houve relutância na
utilização de ligações parafusadas em membros de PRF, por causa das
perfurações para a realização de furos nos laminados, por receio de cortar as
fibras causando delaminações, o que não ocorre com os materiais isotrópicos
que exibem certa plasticidade que aliviam as concentrações de tensão
diminuindo seus efeitos nestas regiões. Em virtude disso, pesquisadores vêm
desenvolvendo projetos de junta mais apropriados para PRF. Sanjay (2002)
classifica as configurações de junta como junta sobreposta simples (single lap
joint), junta sobreposta dupla (double lap joint) e junta de topo (butt joints)
conforme Figura 20.
Fonte: (Sanjay, 2002).
Figura 20: Esquema dos tipos de juntas mecânicas: a) junta sobreposta simples; b)
junta sobreposta dupla e c) junta de topo.
a)
b)
a)
b)
a)
c)
49
81
Assim como qualquer processo utilizado para unir peças, as ligações
mecânicas apresentam vantagens e desvantagens que são apresentadas na
Tabela 5, a seguir.
Tabela 5: Vantagens e Desvantagens das ligações mecânicas.
Vantagens Desvantagens
Permite desmontagem sem causar danos
às partes envolvidas.
Permite desmontagem acidental sem as
devidas precauções.
Apresenta facilidade de manutenção,
serviço, reparações, aprimoramentos,
descarte final e portabilidade.
Concentração de tensão nas regiões em
que são introduzidos os fixadores
(parafusos, rebites e pinos).
Permite movimento intencional (com certo
grau de liberdade) em estruturas
dinâmicas.
Alguns materiais não suportam regiões
com concentração de tensões com perda
de eficácia ou falha das partes.
Não altera a composição e micro-
estrutura do material.
Permitem a introdução de fluidos
(umidade, água e ar) que podem acelerar
a corrosão.
Permite a união entre materiais
fundamentalmente diferentes uns dos
outros.
A tensão pode ser elevada na montagem
de fixadores mecânicos, a fim de evitar o
afrouxamento da ligação em serviço.
Transfere integridade estrutural, com
tolerância a danos.
Os fixadores mecânicos podem adicionar
peso quando comparados com outros
processos de união.
Envolve pouca ou nenhuma preparação
especial das juntas.
Alguns métodos de fixação mecânica
(instalação dos parafusos) podem ser
difíceis de ser automatizados.
Custo relativamente baixo e requerendo
apenas habilidade limitada do operador.
A eficiência das juntas para a maioria dos
métodos é alta.
Fonte: Messler, 2004.
50
81
Dentre essas vantagens apresentadas por Messler (2004), as que mais
favorecem as atividades industriais, e por isso, muito enfatizadas por diversos
autores são a facilidade de montagem e desmontagem, inspeção para fins de
manutenção, por não exigir prévia preparação da superfície de conexão e baixo
custo (OLMEDO, SANTIUSTE, 2012; ROSALES et al., 2011; SRINIVASA et al.,
2009; ASHRAFI et al., 2012; TSOUVALIS, KARATZAS, 2011).
Estudos investigaram o desempenho de PRF quando unidos por
ligações parafusadas. Tang et al. (2014) investigou as propriedades mecânicas
e mecanismos de falha de juntas parafusadas em compósitos reforçados com
fibras trançadas de carbono-carbono (C-Cs) numericamente e
experimentalmente. Tentou encontrar uma correlação entre o ensaio
experimental e o modelo numérico, através do Método dos Elementos Finitos
(MEF). Primeiramente as propriedades mecânicas das juntas e mecanismos de
falha foram obtidas através de experimentos, caracterizaram-se os
mecanismos de falha das juntas sobreposta simples com um parafuso (SUP) e
juntas sobreposta simples multi parafusada (SMP) com dois parafusos, para
fornecer dados suficientes a projetos de juntas em larga escala. Foram fixados
os valores de espessura (t) igual 5 mm, diâmetro do furo (D) igual 10 mm e L =
150 mm. Para as juntas SUP foram variados a largura (w) e a distância da
borda ao centro do furo (e) nas seguintes relações w/D = 3 e e/D = 3. Para as
juntas SMP foram utilizadas as seguintes relações w/D = 3; e/D = 3 e p/D = 2,
sendo p a distância entre parafusos. Os efeitos do parâmetro de geometria, o
modo de falha e as propriedades mecânicas das juntas foram analisados
através de modelo numérico. Concluiu-se que as cargas de falha das juntas
analisadas previstas pelo MEF foram próximas dos valores experimentais,
porém os valores numéricos foram ligeiramente maiores que o experimental,
provavelmente devido a defeitos de fabricação dos compósitos que não foram
considerados na simulação numérica.
Yun et al. (2014) avaliaram a resistência de juntas do tipo sobreposta
dupla com um parafuso (DUP), sobreposta dupla multi parafusada (DMP) (com
51
81
cinco parafusos) em compósitos carbono/epóxi, experimentalmente e utilizando
análise numérica por MEF. Experimentalmente foram produzidos e analisados
dois grupos de DMP com diferente sequência de empilhamento [0º /45º /0º /-
45º /90º /0º /90º]s e [0º /45º /0º /-45º /90º /0º /-45º /0º /45º /0º /90º /0º]s com
espessura de 2 mm e 3 mm.
Wankhade; Jadhao (2014) examinaram a distribuição de tração e de
tensão de esmagamento de juntas sobrepostas simples parafusadas em dois
tipos de materiais: compósitos de fibras de vidro e placas de aço leve, com um
e quatro parafusos usando a análise numérica através do MEF. Os resultados
mostraram que as tensões de tração e de ruptura são menores para os
compósitos laminados, quando comparados com o aço e que a redução de
peso da estrutura favorece também os compósitos reforçados com fibras de
vidro. Concluiu-se que a concentração de tensão dos compósitos laminados foi
menor que as apresentadas pelo aço, o que favorece a resistência da estrutura
dos laminados.
Turvey; Wang (2007) investigaram experimentalmente os efeitos da
temperatura e da umidade na resistência das juntas sobrepostas simples com
apenas um parafuso, de compósitos reforçados com fibras de vidro. Observou-
se a redução da capacidade de carga das juntas devido às condições de
temperatura e umidade. Houve uma perda de resistência de 60% na carga de
tração nas juntas sobrepostas simples com apenas um parafuso, que foram
submetidas à submersão de 65 semanas em água aquecida a 60ºC.
2.7.1 Conectores
Conectores mecânicos consistem em dispositivos complementares que
são utilizados para intertravar macroscopicamente dois ou mais elementos. Os
parafusos interferem em cada elemento da junta para transferência de carga de
uma parte à outra da ligação, por tração e/ou por cisalhamento. Sua finalidade
é manter os elementos estruturais com bom arranjo, proximidade e orientação
para permitir que a montagem possa exercer suas funções sem separação
52
81
indesejada, ou, no extremo, a desmontagem. Os tipos de fixadores utilizados
para compósitos são os mesmos utilizados para materiais monolíticos como é o
caso do aço, porém, com algumas ressalvas (MESSLER, 2004).
Os parafusos autoperfurantes são pouco utilizados em PRF, pois,
tendem a puxar e remover a fibra da matriz, o que pode afetar de forma
significativa a resistência geral do material, uma vez que as fibras são
responsáveis pela resistência do compósito. Os rebites com tamanho maior
que o normal nas extremidades são empregados para distribuir carga e evitar o
fluxo de umidade. Os parafusos de grandes diâmetros são amplamente
utilizados com porcas ou anilhas e, muitas vezes, com buchas e inserções para
evitar o fluxo de umidade através do aperto, tensões e força de esmagamento.
Os pinos são usados geralmente com inserções no furo, buchas e mangas
para evitar o fluxo de umidade induzido por esmagamento (MESSLER, 2004).
Na Figura 21 os tipos de fixadores apresentados são ilustrados.
Fonte: (Messler, 2004; Sanjay, 2002).
Figura 21: Intertravamento por meio de: a) rebite; b) parafusos e c) pinos.
2.7.2 Modo de falha das ligações
Os conectores mecânicos permitem a transferência de carga entre as
partes unidas do compósito, porém, estes elementos criam uma região de
concentração de tensões que conduzem a falhas (LIE et al., 2000). As juntas
mecânicas em PRF apresentam alguns modos de falha semelhantes aos que
ocorrem nos metais, tais como: falha por tração, falha por cisalhamento e falha
por esmagamento. No entanto, dois modos de falhas são específicos em PRF,
a) b) c)
53
81
nomeados por falha por clivagem do laminado e falha por arrancamento do
conector (DUTHINH, 2000; MESSLER, 2004). Ireman et al. (2000) apresentam
outro modo de falha identificado como falha do conector. Na Figura 22 estão
apresentados os esquemas dos modos de falhas típicos referidos acima.
Fonte: Adaptado de (Hart-Smith, 1987)
Figura 22: Representação esquemática dos modos de falha em PRF.
De acordo com Ireman et al. (2000), a falha por tração consiste em uma
falha transversal à direção do carregamento na região da ligação. É causada
principalmente pelas tensões tangenciais e de compressão na borda do furo e
ocorre para uma junta submetida a um carregamento uniaxial, quando se tem
uma relação alta entre a carga que passa e a carga de esmagamento ou,
também, quando é alta a relação diâmetro do furo e largura (D/w).
A falha por cisalhamento é causada pela tensão de cisalhamento e
ocorre ao longo do plano de cisalhamento no contorno do furo, na direção
principal do carregamento e do fixador. Esse tipo de falha ocorre nos laminados
quando se tem baixos valores da distância do centro à borda livre (e) e em
54
81
laminados altamente ortotrópicos, independente da distância da extremidade
(IREMAN et al., 2000).
A falha por esmagamento ocorre no material imediatamente adjacente à
área de contato entre o fixador e o laminado e é causado principalmente pela
tensão de compressão agindo na superfície do furo. Comumente ocorre
quando a relação (d/w) e a relação entre a carga que passa e a carga de
esmagamento são baixas. Essa falha é fortemente afetada pela restrição lateral
(força de fixação), uma vez que a restrição lateral previne a delaminação das
camadas e a flambagem das fibras (IREMAN et al., 2000).
A falha por clivagem acontece somente em camadas com orientação
(0º, +/- θ), sendo θ ≠ 0º, com altas proporções de fibra em 0°. A falha se inicia
em modo de falha por cisalhamento simples, e comumente pode ser seguida
pela falha por tração na área do compósito, sendo neste caso, falha por
clivagem/tração. Caso seja necessário a região dos furos deve ser reforçada
(IREMAN et al., 2000).
A Falha por arrancamento do conector está associada principalmente
com rebites. Os rebites são usados normalmente em cisalhamento simples,
carregamento no plano axial que impõe flexão para fora do plano e separação
propulsora do conector da articulação, sob carregamento extremo os rebites
podem falhar por flexão ou cisalhamento da cabeça (DUTHINH, 2000). Falha
do conector é causada pela tensão de cisalhamento em combinação com as
tensões de flexão no fixador (IREMAN et al., 2000).
Os mecanismos de falhas em Polímeros Reforçados com Fibras (PRF)
são complexos e variados, quando comparados com os metais, e são
dependentes, do tipo de reforço, orientação das fibras, tratamento da
superfície, projeto de junta, qualidade do furo e tipo de matriz (MESSLER Jr.,
2004).
55
81
2.7.3 Parâmetros geométricos das ligações
Conforme Sanjay (2002) existem alguns fatores que afetam a resistência
da junta mecânica, tais como, a produção do compósito, a orientação das
fibras, a seqüência de empilhamento, a natureza das fibras, a qualidade dos
furos, a força aplicada no aperto do conector e, por fim, os parâmetros
geométricos de junta que serão estudados neste item (diâmetro de furo, largura
e distância do centro do furo à borda livre). Os parâmetros geométricos das
juntas sobrepostas simples com um conector estão apresentados na Figura 23.
Fonte: (Tang et al., 2014).
Figura 23: Representação esquemática da geometria da junta single lap com um
parafuso.
Sendo,
e: distância do centro do furo à borda livre (distância longitudinal às bordas)
w: largura
L: comprimento
D: diâmetro do furo
d: diâmetro do parafuso
t: espessura
Orientação da fibra
d
56
81
2.7.4 Momento de flexão na região parafusada ou rebitada
Ireman (2000), afirma que o carregamento imposto no ensaio de tração
em uniões mecânicas sobrepostas simples resulta em um momento de flexão
na região parafusada, fenômeno conhecido como flexão secundária. As flexões
e deflexões do parafuso ou do membro unido, provocadas pelo momento de
flexão secundário, podem contribuir para a distribuição não uniforme de tensão
ao longo da espessura do compósito.
Conforme Shigley (1977), as juntas parafusadas ou rebitadas são
submetidas a carregamento em cisalhamento e estão sujeitas, além dos vários
modos de falhas possíveis já citados anteriormente, à falha por flexão do
parafuso/rebite ou do membro parafusado, devido ao momento de flexão que
surge por causa da força de cisalhamento originada no ensaio de tração, como
pode ser visto na figura 23.
Fonte: (A autora, 2016)
Figura 24: Diagrama esquemático representação da carga de cisalhamento e flexão no
membro conectado.
57
81
Segundo Shigley (1977), o momento de flexão (M) é dado pelo produto
entre a força de cisalhamento (F) aplicada e a espessura (t) de uma das partes
conectadas, como mostrado na expressão 18.
tFM . (18)
O cálculo da tensão de flexão, desprezando a concentração de tensão, é
dado por:
cI
M (19)
Onde:
M: momento de flexão
I/c: módulo de resistência para o membro frágil ou para o parafuso ou rebite
Assim, o cálculo da tensão de flexão é uma hipótese, uma vez que não
se tem conhecimento exato da distribuição da carga para os conectores nem
as deformações relativas entre conectores e membros. Em geral, em projeto
não se utiliza essa equação para o cálculo da tensão de flexão, essas
incertezas são compensadas por aumento no coeficiente de segurança
(SHIGLEY, 1977).
58
81
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O procedimento experimental deste trabalho está estruturado em cinco
etapas gerais, sendo a primeira, a confecção do tecido de sisal, que
compreende atividades de separação e pesagem dos feixes, com posterior
tecelagem artesanal. A segunda etapa corresponde à produção do laminado
com sequência de empilhamento [0°/ 90°/ 0°], utilizando o método de
laminação manual (hand lay up), tendo como materiais o tecido de fibra de sisal
como reforço e uma resina termofixa poliéster como matriz. A terceira etapa
consiste na avaliação das propriedades mecânicas do laminado [0°/ 90°/ 0°],
em três direções: longitudinal, transversal e diagonal. A quarta etapa
compreende a avaliação dos efeitos do furo no compósito, englobando a
diminuição da resistência mecânica do material, como consequência da
formação de danos ao redor dos furos decorrentes da furação e da
concentração de tensão originada. Na quinta etapa foi realizada a avaliação
dos efeitos das relações geométricas w/D e e/D no modo de falha e resistência
das ligações mecânicas por meio do ensaio de tração. As etapas descritas
podem ser visualizadas na Figura 25.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 25: Etapas gerais dos procedimentos experimentais.
59
81
3.1 MATERIAIS
Os materiais utilizados no compósito laminado foram o tecido
unidirecional de fibra de sisal como reforço e a resina termofixa poliéster como
matriz polimérica. Nesse item estão descritas as características específicas
desses materiais.
3.1.1 Reforço – Tecido unidirecional de fibra de sisal (TFS)
As fibras de sisal do tipo III (refugo) foram fornecidas pela Associação de
Desenvolvimento Sustentável e Solidário da Região Sisaleira (APAEB),
localizada no município de Valente-BA e utilizadas in natura, sem tratamento
prévio, para confeccionar o tecido estrutural, reforço da matriz polimérica.
Para a confecção do tecido de sisal foi adotado o método desenvolvido
por Cerchiaro (2010) que utiliza na trama, feixes de fibras de sisal, e no
urdume, linhas de algodão para orientação e ordenamento dos feixes. Este
método usa da tecelagem manual para sua confecção e origina um tecido
estrutural unidirecional com boa molhabilidade, que viabiliza a aplicação da
técnica de laminação manual na produção do laminado.
Neste trabalho, denominou-se feixe a junção de 15 fibras de sisal unidas
entre si por meio de um nó na extremidade. Os feixes foram pesados e
apresentaram uma média 0,5019 g com desvio padrão σ = 0,0720 g. O tecido
tramado do tipo simples, com fibras de sisal em apenas uma direção, foi
confeccionado em um tear manual de pedal e apresentou uma gramatura de
346,75 g/m². A Figura 26 mostra as etapas de confecção do tecido
unidirecional de sisal que será o reforço do laminado utilizado para a análise
das ligações mecânicas.
60
81
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 26: Etapas de confecção do tecido unidirecional de sisal.
3.1.2 Matriz – Resina poliéster
A matriz polimérica utilizada foi a resina poliéster, insaturada, ortoftálica,
acelerada, de baixa viscosidade e tixotrópica, denominada AROPOL L 50500
T. De acordo com o fabricante esta resina é indicada para a produção de peças
de compósitos em molde aberto nos processos de hand lay up e spray up.
Segundo a ficha técnica disponibilizada pelo fornecedor, a resina apresenta
densidade de 1,10 g/cm3 e a cura ocorre em 24 horas a 25°C, com pós-cura de
2 horas a 80ºC. Na Tabela 6 estão expostas as propriedades típicas da resina
líquida e a Tabela 7 apresenta os valores referentes às propriedades
mecânicas da resina curada, sem reforço, apresentada na ficha técnica da
resina.
61
81
Tabela 6: Propriedades típicas da resina líquida.
Propriedades Valores Obtidos Unidades
Viscosidade, 25 °C 250 – 350 cP
Tixotropia 1,30 minutos
Teor de sólidos 55 - 57 %
Gel Time (1g MEKP/ 100g resina),
25ºC
10 - 15 minutos
Intervalo de pico Exotérmico 8 – 12 minutos
Pico Exotérmico 180 - 190 ºC
Tabela 7: Propriedades mecânicas da resina curada.
Propriedades Valores Obtidos Unidades
Resistência à tração 48 MPa
Módulo de elasticidade à tração 3,40 GPa
HDT 3400 ºC
Dureza Barcol 35 -
3.2 MÉTODOS
Os métodos e os equipamentos necessários para alcançar os objetivos
gerais e específicos estão apresentados nesta seção. A produção do
compósito, determinação da densidade, índices de vazios, fração volumétrica
dos componentes, ensaios de tração, avaliação das propriedades mecânicas
do laminado, avaliação dos efeitos dos furos e das ligações mecânicas foram
abordados neste item.
3.2.1 Produção do compósito
Os compósitos foram produzidos, em molde aberto, pelo método de
laminação manual (hand lay up). Nesse método a aplicação da resina e as
62
81
camadas de reforço são dispostas manualmente e, alternadas uma após a
outra.
O laminado referido foi produzido com três camadas de tecido
unidirecional de sisal, seguindo a orientação [0º/ 90º/ 0º]. Utilizou-se como
molde a superfície de uma placa de vidro com dimensão de 50 cm x 50 cm e
espessura de 10 mm, fornecida pela Blindex. Os moldes foram limitados com
fitas demarcadoras, nas dimensões que se pretendeu obter o laminado, para
facilitar a posterior laminação. Após limpeza da superfície do molde foram
aplicadas duas camadas de álcool polivinílico para facilitar a desmoldagem
após a cura do laminado.
Após a secagem completa da última camada de desmoldante iniciou-se
a laminação, com aplicação sucessiva de resina e tecido de sisal. A resina
poliéster foi preparada utilizando-se o catalisador metil etil cetona (MEKP) na
proporção de 1% em relação ao peso da resina. A mistura foi executada
uniformemente de forma a evitar a formação de bolhas, uma vez que o
processo de mistura da resina pode ser fonte de incorporação de bolhas de ar
no compósito final, podendo influenciar em suas propriedades mecânicas.
O processo de laminação foi realizado com uma trincha de 2” e teve
início com a aplicação de uma primeira camada de resina sob a superfície do
molde com a finalidade de proporcionar um acabamento uniforme do laminado,
originando uma placa conformada com o mínimo de irregularidades. O tempo
da laminação foi limitado pelo gel time da resina, 10 a 15 minutos à
temperatura de 25ºC. Esse período varia conforme variação da temperatura
ambiente.
Após a cura total dessa primeira camada regularizadora foi iniciada a
aplicação de outra camada de resina seguida da camada do reforço (tecido de
sisal) que foi impregnada com resina, o processo foi repetido para as três
lâminas de tecido referidas neste trabalho, para obter o laminado. O compósito
foi laminado com a sequência de empilhamento [0º/ 90º/ 0º].
63
81
Após a última camada de resina a laminação é finalizada deslizando um
rolete de 10 mm de diâmetro, a fim de eliminar possíveis bolhas de ar. Todo o
processo de laminação é realizado empregando batidas enérgicas com a
trincha formando um ângulo de 90º com o laminado, para garantir a
impregnação total da matriz nas fibras do tecido de sisal. Este procedimento
permite que a matriz molhe completamente as fibras internas do tecido,
diminuindo a presença de bolhas de ar aprisionadas dentro do laminado. Os
moldes foram expostos à temperatura ambiente por 24 horas para garantir a
cura total do compósito.
Após a cura, foram originadas placas de laminado com dimensões de 50
cm x 35 cm e espessura (t) de 4,6 mm, foi realizado um processo denominado
rebarbação com o objetivo de aparar arestas e rebarbas utilizando serra de
mesa com disco de corte diamantado. A partir das placas de laminado foram
extraídos os corpos de prova para a avaliação das propriedades do laminado, a
avaliação do efeito dos furos e estudo das ligações mecânicas. A Figura 27
mostra as etapas referentes a produção do compósito.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 27: Etapas de produção do laminado.
A orientação [0º/ 90º/ 0º] das camadas do laminado teve como base as
recomendações da norma ASTM D 5766 - 11, que estabelece uma sequência
de empilhamento preferencial para garantir um campo de tensões uniformes na
região ao redor do furo. Segundo essa norma, o laminado deve ter as fibras
P
64
81
orientadas em pelo menos dois sentidos, obedecer à simetria e ao equilíbrio do
empilhamento das camadas do laminado.
3.2.2 Determinação da densidade, índices de vazios e fração volumétrica dos
componentes
A densidade da fibra de sisal foi determinada por picnometria a gás hélio
utilizando o picnômetro a gás de marca Micromeritics, modelo Accu Pyc II
1340, conforme Figura 28. O ensaio foi realizado no Laboratório de Ensaios em
Durabilidade dos Materiais (LEDMa) da Universidade Federal da Bahia (UFBA).
Antes do ensaio a amostra permaneceu em estufa pelo período de 24 horas, a
80 ºC.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 28: Picnômetro a gás.
As fibras de sisal foram picotadas para preenchimento de 2/3 do volume
da câmara utilizada como porta amostra, conforme procedimento do ensaio. A
amostra foi pesada em balança de precisão; os dados da massa foram
inseridos no picnômetro e a amostra foi inserida na câmara de expansão do
mesmo equipamento. Esse equipamento realiza 5 purgas de hélio para
remoção de impurezas da amostra, com 5 repetições da leitura da densidade.
Devido à variabilidade das fibras vegetais foi realizado o ensaio em 2 amostras,
com 5 repetições cada. A amostra 1 apresentou uma densidade média de
1,3691 g/cm³ com desvio de 0,0059 g/cm³ e amostra 2 uma densidade média
65
81
de 1,3829 g/cm³ com desvio de 0,0149 g/cm³. A média das duas amostras de
sisal apresentou uma densidade de 1,3760 g/cm³, que posteriormente será
utilizada para determinação da fração volumétrica de fibra no compósito.
A densidade do compósito foi determinada por balança hidrostática. As
amostras foram cortadas nas dimensões 10 cm x 5 cm e pesadas antes de
serem colocadas na estufa a 80ºC, por 24 horas. Durante a secagem em estufa
foram monitoras as massas das amostras até se obter a estabilização da
mesma. Após a estabilização das massas foi obtida a massa seca. Na balança
hidrostática determinou-se a massa imersa. A densidade encontrada para o
compósito foi de 1,1447 g/cm³ com desvio de 0,0045 g/cm³. A partir da
densidade dos componentes foi determinada a fração volumétrica da resina e
da fibra e o índice de vazios. A fração volumétrica foi obtida mediante a
equação 10 e o valor estimado do índice de vazios seguiu a norma ASTM
D2734 - 03.
3.2.3 Avaliação das propriedades mecânicas do compósito
O laminado confeccionado com sequência de empilhamento [0º/ 90°/ 0°],
devido a sua anisotropia, foi estudado em três direções: longitudinal,
transversal e diagonal. A avaliação das propriedades mecânicas nessas
direções foi realizada por meio de solicitações estáticas (ensaio de tração). Os
corpos de prova foram extraídos das placas de compósito através de uma serra
de mesa com disco de corte, com dimensões (250 mm x 25 mm), conforme a
ASTM D 3039 - 14. Os cortes foram realizados, em relação à carga axial de
tração. Foram obtidos corpos de prova nas direções longitudinal [0º/ 90°/ 0°],
transversal [90º/ 0°/ 90°] e diagonal [45º/ -45°/ 45°], conforme Figura 29 e 30. A
direção longitudinal [0º/ 90°/ 0°] representa, também, corpos de prova sem furo
(CPSF) que serão base para o cálculo da tensão residual.
66
81
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 29: Esquema do corte para avaliação das propriedades mecânicas do
laminado.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 30: Amostras para avaliação das propriedades mecânicas.
[0º/ 90°/ 0°] [90º/ 0°/ 90°] [45º/ -45°/ 45°]
67
81
A norma ASTM D 3518 – 01 estabelece que a sequência de
empilhamento do laminado na direção [45º/ -45º/ 45º] representa, também, a
resposta do material ao cisalhamento. Foram ensaiados seis corpos de prova
válidos para cada direção analisada. Nas extremidades foram fixados
laminados de fibra de vidro para diminuir a concentração de tensões decorrente
do aperto das garras durante a realização dos ensaios de tração.
3.2.4 Avaliação dos efeitos do furo no compósito
A avaliação dos efeitos causados pela presença de furos no compósito
compreendeu a investigação dos danos de delaminação causados pelo
processo de furação, mediante determinação do fator de delaminação (Fd). A
análise da perda de resistência do compósito oriunda da presença do furo
como concentrador de tensões, foi investigada por meio da relação entre
resistência dos corpos de prova com furo e sem furo, denominada tensão
residual (σr) e a análise do modo de fratura das amostras com furo.
A confeccção do corpo de prova para avaliação do furo seguiu
orientações presentes na norma ASTM D 5766 - 11, que estabele a presença
de um furo localizado em L/2 e w/2, ou seja, no centro do corpo de prova com
dimensões (250 mm x 36 mm). Segundo a norma ASTM D 5766 - 11, para
materiais ortotrópicos a relação entre diâmetro do furo e espessura do
laminado (D/t) pode afetar os resultados, por isso, recomenda-se que esta
relação esteja em torno de 1,5 a 3, exceção feita quando o fator a ser
investigado seja a influência dessa relação. Os laminados de espessura (t)
igual a 4,6 mm e diâmetro do furo (D) igual a 8 mm, apresentaram uma relação
D/t = 1,74; portanto, dentro dos valores exigidos por norma, para materiais
ortotópicos. A Figura 31 mostra um diagrama esquemático dos corpos de prova
com furo central com dimensões estabelecidas pela norma.
68
81
a)
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 31: Diagrama esquemático dos corpos de prova com furo central.
Como a presença de danos podem ocasionar perdas de resistência do
compósito, a norma ASTM D5766 - 11 recomenda que a execução dos furos
seja realizada de maneira a evitar a presença da delaminação ao redor dos
mesmos, que pode ser minimizado com um controle dos parâmetros de
furação. A execução dos furos foi realizada na Universidade Salvador
(UNIFACS) no centro de usinagem CNC, modelo CONCEPT MILL55, que
apresenta valores máximos para velocidade de corte de 2 m/min, velocidade de
rotação de 100 - 3500 rpm e velocidade máxima de avanço de 2000 mm/min, e
é possível o controle dos parâmetros de furação (Figura 32).
a) b)
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 32: a) Centro de Usinagem CNC e b) Execução dos furos.
69
81
Os furos foram executados com velocidade de rotação de 2100 rpm,
velocidade de avanço de 40 mm/min e broca helicoidal de aço rápido de 8 mm,
sem suporte inferior na saída da broca. Neste processo, foi possível garantir o
controle dos parâmetros de corte. Foram preparados seis corpos de prova com
furo central, conforme ilustrado na Figura 33.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 33: Corpos de prova do laminado com furo central.
3.2.4.1 Fator de delaminação
Para avaliar a qualidade da execução dos furos e identificar a presença
de delaminação foi utilizado método não destrutivo para análise dos danos ao
redor do furo. Foram obtidas imagens, dos seis furos executados, através de
um microscópio digital de mão Celestron 44311 das regiões da entrada e da
saída da broca e assim foi possível avaliar a presença de delaminação à
entrada (“peel-up”) e à saída (“push-down”) da broca. Na Figura 34 estão
ilustradas as imagens obtidas para os corpos de prova com furo (CPCF 5).
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 34: a) Imagem à entrada da broca e b) Imagem à saída da broca.
a) b)
70
81
Em seguida foi utilizado tratamento de imagem para melhor identificação
das áreas delaminadas em torno do furo e, por meio de um programa de
licença de gratuita J image 1.46, foi possível obter as medidas das áreas
correspondentes (Figura 35).
a) b)
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 35: a) Imagem à entrada da broca após tratamento de imagem e b) Imagem à
saída da broca após tratamento de imagem.
3.2.4.2. Tensão residual
Através do ensaio de tração, dos corpos de prova com e sem furos foi
possível investigar o efeito dos furos na resistência mecânica do laminado. O
estudo da tensão residual (σr) foi realizado mediante a expressão apresentada
por Ye et al. (1998):
o
cr
Onde:
σc : Resistência à tração dos corpos de prova com furo
σo : Resistência à tração dos corpos de prova sem furo
(20)
71
81
A presente relação permite aferir quantitativamente a perda de
resistência do material apresentado mediante a presença de furo, que por ser
uma região de descontinuidade está propensa a maiores tensões, e por isso,
maior tendência a falhas. Para estudar as características finais das fraturas, a
análise macroscópica, teve por base os modos de ruptura definidos pela norma
ASTM D5766 - 11.
3.2.5 Ligações mecânicas
A análise das ligações mecânicas foi realizada, experimentalmente, em
compósitos reforçados com fibras de sisal, de sequência de empilhamento [0°/
90°/ 0°]. Foram avaliadas as propriedades mecânicas à tração e modos de
falha em juntas do tipo Single - bolt single - lap (SBS), com apenas um fixador.
Os parâmetros geométricos de junta investigados foram a largura (w) e a
distância do centro do furo à borda livre (e) na configuração de junta SBS
proposta.
Para este propósito a relação e/D foi analisada entre 1 e 4 e a relação
w/D foi avaliada entre 2 e 4, parâmetros semelhantes aos empregados por
(OKUTAN, 2002; SEN et al., 2008; TANG et al., 2014). O diâmetro do furo (D)
foi mantido constante e igual a 8 mm. O comprimento dos membros a serem
unidos L1 e L2 (ver figura 39) foi fixado em 150 mm, portanto L1 = L2, conforme
Tang et al. (2014). A espessura (t), igual a 4,6 mm, é proporcional a
quantidade de camadas de tecido de sisal e resina utilizados na confeccção do
laminado. Para cada grupo experimental analisado foram ensaidos 6 corpos de
prova representativos, totalizando 72 corpos de prova para as análises das
ligações mecânicas. O fluxograma do procedimento experimental para avaliar
as ligações mecânicas pode ser observado na Figura 36.
72
81
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 36: Fluxograma do procedimento experimental para análise das ligações
mecânicas.
3.2.5.1 Confecção dos corpos de prova
A confecção dos corpos de prova para análise das ligações seguiu
procedimentos descritos na norma ASTM D5961 – 13. Os membros a serem
unidos foram cortados com serra de mesa com disco de corte circular, em
comprimento (L1 = L2) de 150 mm e largura de forma a atender a variação da
relação w/D a ser estudada. Os furos também foram executados seguindo as
73
81
relações de estudo e/D. As relações e os valores dos parâmetros geométricos
(w) e (e) em mm, considerando D = 8 mm, estão relacionados na Tabela 8.
Tabela 8: Relação w/D e e/D.
w/D w (mm) e/D e (mm)
2 16 1, 2, 3 e 4 8, 16, 24 e 32
3 24 1, 2, 3 e 4 8, 16, 24 e 32
4 32 1, 2, 3 e 4 8, 16, 24 e 32
Fonte: (A autora, 2016).
Os furos para análise das ligações foram feitos no centro de Usinagem
CNC modelo CONCEPT MILL55 com velocidade de rotação de 2100 rpm,
velocidade de avanço de 40 mm/min e broca de 8 mm (Figura 37).
.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 37: Execução do furo em corpo de prova para análise das ligações.
A união mecânica dos membros foi realizada por parafuso sextavado
5/16 x 1”, de rosca parcial e arruelas de pressão (Figura 38). As arruelas foram
utilizadas para dimimuir a pressão causada pelo parafuso, manter a
uniformidade na superfíce rugosa do compósito e garantir que a porca e o
74
81
parafuso não se soltem e assim, assegurar a eficácia da fixação. O aperto foi
realizado com chave de mão até travar levemente.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 38: Elementos de fixação mecânica.
O esquema da união mecânica desenvolvida para o laminado PRFS [0º/
90º/ 0º] do tipo Single - bolt single - lap (SBS) está apresentada na Figura 39.
Sendo L o comprimento útil (gage) de ensaio.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 39: Esquema da ligação mecânica do tipo Single - bolt single - lap (SBS).
75
81
Os corpos de prova confeccionados para as investigações experimentais
dos efeitos dos parâmetros geométricos (w) e (e) das ligações mecânicas estão
apresentados nas figuras seguintes. As Figuras 40, 41 e 42 mostram o perfil
frontal e lateral dos corpos de prova para os grupos w/D = 2, w/D = 3 e w/D = 4
e suas respectivas variações para e/D = 1, 2, 3 e 4.
a)
b)
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 40: a) Perfil frontal das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 2 e
b) Perfil lateral das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 2.
w/D= 2; e/D = 1
w/D= 2; e/D = 2
w/D= 2; e/D = 3
w/D= 2; e/D = 1
w/D= 2; e/D = 2
w/D= 2; e/D = 3
w/D= 2; e/D = 4
w/D= 2; e/D = 4
76
81
a)
b)
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 41: a) Perfil frontal das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 3 e
b) Perfil lateral das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 3.
w/D= 3; e/D = 1
w/D= 3; e/D = 2
w/D= 3; e/D = 3
w/D= 3; e/D = 4
w/D= 3; e/D = 1
w/D= 3; e/D = 2
w/D= 3; e/D = 3
w/D= 3; e/D = 4
77
81
a)
b)
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 42: a) Perfil frontal das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 4 e
b) Perfil lateral das ligações com variações e/D = 1, 2, 3 e 4 para w/D = 4.
w/D= 4; e/D = 1
w/D= 4; e/D = 2
w/D= 4; e/D = 3
w/D= 4; e/D = 4
w/D= 4; e/D = 1
w/D= 4; e/D = 2
w/D= 4; e/D = 3
w/D= 4; e/D = 4
78
81
Na Tabela 9 são apresentados os parâmetros geométricos da ligação
mecânica do conjunto experimental investigado.
Tabela 9: Configurações de ligação das amostras de ensaio.
w/D e/D D
(mm)
w
(mm)
e
(mm)
L1 = L2
(mm)
L
(mm)
tmédia
(mm)
2 1 8 16 8 150 234 4,6
2 2 8 16 16 150 219 4,6
2 3 8 16 24 150 200 4,6
2 4 8 16 32 150 188 4,6
3 1 8 24 8 150 234 4,6
3 2 8 24 16 150 219 4,6
3 3 8 24 24 150 202 4,6
3 4 8 24 32 150 185 4,6
4 1 8 32 8 150 235 4,6
4 2 8 32 16 150 219 4,6
4 3 8 32 24 150 203 4,6
4 4 8 32 32 150 186 4,6
Fonte: (A autora, 2016).
Após a realização dos ensaios de tração para os grupos estudados na
análise das ligações foi realizada a avaliação dos modos de falha com base na
classificação de Duthinh (2000); Messler (2004) e Ireman et al. (2000) que
classificam as fraturas em falha por tração (T), falha por cisalhamento (S), falha
por esmagamento (B) e falha por clivagem (C). A presente avaliação permite
relacionar o modo de falha com os parâmetros geométricos de ligação
estudados.
79
81
3.2.6 Ensaio de tração
Os ensaios de tração foram realizados no Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia da Bahia (IFBA) – campus Salvador. Utilizou-se uma
máquina de ensaio universal EMIC DL - 3000, como ilustra a Figura 43, nas
seguintes condições de ensaio: células de carga com capacidade de 200 KN e
velocidade de ensaio de 2 mm/min. O ensaio seguiu procedimentos da norma
ASTM D 3039 – 14. Foram submetidos ao ensaio de tração os corpos de prova
para a avaliação das propriedades mecânicas nas direções longitudinal [0º/
90°/ 0°], transversal [90º/ 0°/ 90°] e diagonal [45º/ -45°/ 45°], para a avaliação
dos efeitos do furo e para a avaliação das ligações mecânicas. Foram
ensaiados seis corpos de prova para cada estudo.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 43: Máquina de ensaio universal EMIC.
A largura e a espessura dos corpos de prova para a investigação, à
tração, das propriedades mecânicas e efeitos do furo no compósito foram
obtidas a partir da média em três posições (3 cm das duas extremidades e no
80
81
centro). Para as ligações essas medidas foram obtidas a partir das
extremidades dos membros (3 cm das duas extremidades). Todas as medidas
foram feitas a partir de um paquímetro com precisão de 0,001 mm. A Figura 44
mostra o ensaio de tração em corpos de prova com ligações.
Fonte: (A autora, 2016).
Figura 44: Ensaio de tração de corpo de prova com ligação (w/D = 4, e/D = 4).
O principal resultado obtido do ensaio foi a força máxima de ruptura (N)
que possibilitou a determinação da tensão máxima (MPa) e rigidez (N/mm) do
laminado. Para as ligações as análises foram realizadas a partir da força
máxima de ruptura (N) e cálculo da rigidez. As determinações da tensão nas
regiões da união exigiriam um estudo mais acurado das tensões.
81
81
4 RESULTADOS E ANÁLISES
4.1 DETERMINAÇÃO DA DENSIDADE, ÍNDICE DE VAZIOS E FRAÇÃO
VOLUMÉTRICA DOS COMPONENTES.
A densidade das fibras de sisal in natura, determinada por pincometria a
gás hélio foi de 1,3790 g/cm3. Observou-se que os resultados encontrados para
a densidade da fibra de sisal estão coerentes com os valores disponíveis na
literatura. Idicula et al. (2006) obteve 1,45 g/cm3, Oksman et al. (2009)
encontrou 1,33 g/cm3 e Cerchiaro (2010) chegou ao valor de 1,26 g/cm3, as
diferenças observadas, possivelmente, estão relacionadas com a variabilidade
apresentada por fibras de origem vegetal.
A densidade do compósito obtida experimentalmente, por balança
hidrostática, foi de 1,1447 g/cm3 com desvio de 0,0045 g/cm3. O baixo valor da
densidade, previsto em materiais compósitos reforçados com fibras vegetais,
confirma o crescente interesse no uso de fibras de origem vegetal como reforço
em materiais poliméricos, pois, possibilita o desenvolvimento de peças,
estruturas e produtos mais leves, características almejadas pela indústria em
geral. Cerchiaro (2010) obteve um valor experimental de 1,1385 g/cm3 para
compósito de matriz poliéster reforçado com tecidos de fibra de sisal, próximo
ao valor encontrado neste trabalho.
A fração volumétrica de fibra e teor vazios, para o compósito estudado,
foram obtidas, conforme equação 4 e 15 da seção 2.5.1, deste trabalho. O
laminado apresentou uma fração volumétrica de fibra estimada entre 20,42% e
20,36%, com índice de vazio teórico entre 0,84% e 0,44%. Observou-se que o
índice de vazios encontrados está dentro dos parâmetros estimados pela
norma ASTM D2734 - 03, que considera uma tolerância de teor de vazios de
até 1% para o compósito ser considerado de boa qualidade.
82
81
4.2 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS COMPÓSITOS
Neste item serão apresentadas e avaliadas a rigidez e a resistência
mecânica do laminado, à tração, em três direções: longitudinal [0º/ 90°/ 0°],
transversal [90º/ 0°/ 90°] e diagonal [45º/ -45°/ 45°]. Os modos de falha,
também, foram analisados nesta seção. A região de escorregamento
observadas no ínicio das curvas tensão x deformação, ao longo desta seção,
representam as regiões de acomodação relativas ao início dos ensaios. A
rigidez foi calculada a partir da região linear da curva de tensão versus
deformação, considerando o intervalo de pontos situado entre 20% iniciais
(para eliminar possíveis acomodações de ensaio) e 80% finais, de tensão e
deformação, através do coeficiente angular da reta tendência.
4.2.1 Ensaio de tração na direção longitudinal [0º/90º/0°].
O comportamento mecânico do laminado na direção longitudinal
[0°/90°/0°] é apresentado nas curvas típicas Tensão x Deformação,
apresentadas na Figura 45. Neste gráfico se observa um comportamento
elástico linear no trecho antes da fratura final, característica típica de materiais
poliméricos. A ruptura final é comportamento típico de fratura frágil, sem região
de escoamento, ruptura brusca.
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Te
ns
ão
(M
Pa
)
Deformação (mm/mm)
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Tensão X Deformação
Figura 45: Gráfico tensão x deformação na direção longitudinal [0°/90°/0°].
83
81
A Tabela 10 apresenta os valores médios, desvios padrão e coeficientes
de variação (CV) da força máxima de ruptura, tensão máxima, deformação e
rigidez na direção longitudinal. Observou-se uma baixa dispersão entre os
valores obtidos que representa uma homogeneidade dos resultados
encontrados, como poder ser visto no gráfico e na tabela abaixo.
Tabela 10: Propriedades mecânicas à tração na direção longitudinal [0°/90°/0°].
Amostras
N=6
Frupt
(N)
Tensão
(MPa)
Deformação
(mm/mm)
Rigidez
(N/mm)
Média 4578,08 39,97 0,0330 714,20
Desvio Padrão 660,70 5,60 0,0024 88,48
CV 14,4% 14,02% 7,26% 12.39%
A Tensão na direção longitudinal consiste na resistência à tração dos
corpos de prova sem furo (σo), que será utilizada na seção 4.3.2.1 para cálculo
da tensão residual (σr).
4.2.2 Ensaio de tração na direção transversal [90º/0º/90°].
As curvas Tensão x Deformação, na Figura 46, mostram o
comportamento mecânico do laminado na direção transversal [90º/0º/ 90°].
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045
0
5
10
15
20
25
30
Te
ns
ão
(M
Pa
)
Deformação (mm/mm)
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Tensão X Deformação
Figura 46: Gráfico tensão x deformação na direção transversal [90º/0º/90°].
84
81
O gráfico (Figura 46) apresentou descontinuidades ao longo do trecho
linear elástico. Esse fenômeno representa o rompimento das fibras em
momentos diferentes, ao longo do ensaio, isso acontece devido às diferenças
existentes na resistência entre as fibras de sisal, em virtude da variabilidade
comum entre fibras vegetais. A Tabela 11 mostra os valores médios da força
máxima de ruptura, tensão máxima, deformação e rigidez, na direção
transversal, e respectivos desvios padrão e coeficientes de variação.
Tabela 11: Propriedades mecânicas à tração na direção transversal [90º/0º/90°].
Amostras
N=6
Frupt
(N)
Tensão
(MPa)
Deformação
(mm/mm)
Rigidez
(N/mm)
Média 2686,93 24,35 0,0282 683,93
Desvio Padrão 471,07 4,22 0,0043 126,62
CV 17,53% 17,35% 15,16% 18,51%
Ao se comparar a tabela 10 com a tabela 11, observa-se que a direção
tranversal [90º/0º/90°] do laminado apresentou resistências mecânicas
menores ao ser comparada com a direção longitudinal [0°/90°/0°] do mesmo.
Esse comportamento foi o esperado, uma vez, que a direção longitudinal
possui maior fração volumétrica de fibras de sisal na direção do carregamento,
direção preferencial de alta resistência.
4.2.3 Ensaio de tração na direção diagonal [45º/-45º/ 45°].
Na Figura 47 pode-se observar nas curvas Tensão x Deformação um
trecho linear seguido de múltiplas fissurações das fibras antes da ruptura final.
Esse rompimento sucessivo das fibras, ao longo do ensaio, representa às
diferenças existentes na resistência entre as fibras de sisal, em virtude da
variabilidade comum entre fibras vegetais.
85
81
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060
0
5
10
15
20
25
Te
ns
ão
(M
Pa
)
Deformação(mm/mm)
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Tensão X Deformação
Figura 47: Gráfico tensão x deformação na direção diagonal [45º/ -45º/ 45°].
Na Tabela 12 são apresentados os valores médios da força máxima de
ruptura, tensão máxima, deformação e rigidez na direção diagonal, com seus
respectivos desvios padrão e coeficientes de variação. Esses resultados
representam, também, uma resposta do compósito ao cisalhamento, segundo a
norma ASTM 3518 - 01.
Tabela 12: Propriedades mecânicas à tração na direção diagonal [45º/-45º/45°].
Amostras
N=6
Frupt
(N)
Tensão
(MPa)
Deformação
(mm/mm)
Rigidez
(N/mm)
Média 2107,88 16,88 0,03688 416,455
Desvio Padrão 186,16 1,5320 0,0046 75,73
CV 8,83% 9,08% 12,41% 18,18%
Os resultados apontam para uma inferioridade de resistência mecânica
do material aos esforços de cisalhamento, na direção [45º/-45º/45°], quando
comparado com a resistência apresentada na direção longitudinal e
86
81
transversal. As diferentes propriedades observadas nas três direções,
analisadas do compósito reforçam a natureza anisotrópica do material.
4.2.4 Modo de Falha
A Figura 48 ilustra a fratura final típica apresentada pelo laminado nas
direções estudadas. Uma análise macroscópica permite classificar a fratura
final, segundo a ASTM D 3039 – 14, como LGM (Lateral Gage Middle). Código
estabelecido por norma que indica a localização da fratura. Cada letra indica
uma característica da fratura, neste caso, significa que a fratura ocorreu
simultanemante na lateral, no comprimento útil e na região central do corpo de
prova.
Figura 48: Modo de falha nas direções: a) longitudinal; b) transversal e c) diagonal.
a) b)
c)
87
81
4.3 AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DO FURO NO COMPÓSITO
4.3.1 Fator de delaminação
Tendo em vista os danos de delaminação à orla dos furos, provocados
pelas operações de furação em compósitos, e sua relação com prováveis
perdas de resistência, o controle, a análise e quantificação desses danos faz-
se aspecto importante a ser estudado.
Os furos foram avaliados considerando os parâmetros de furação
utilizados na execução dos furos. Foram mantidas constantes a velocidade de
rotação (2100 rpm) e de avanço (40 mm/min). Os resultados apresentados na
Tabela 13 indicam que não foi detectada a delaminação à entrada (peel-up) e a
delaminação à saída (push-down) apresentou um valor médio de Fd (saída) =
1,121.
Tabela 13: Fator de delaminação (Fd).
Amostra Fd (entrada) Fd (saída)
CPCF 1 0 1,114
CPCF2 0 1,123
CPCF 3 0 1,094
CPCF 4 0 1,117
CPCF 5 0 1,111
CPCF 6 0 1,167
Kilickap (2010) analisou os efeitos da furação considerando diferentes
valores de velocidade de rotação, de avanço e tipo de broca em compósitos
reforçados com fibras de vidro, obtendo um valor entre 1,11 e 1,68 para Fd
(entrada) e entre 1,21 e 1,87 para Fd (saída). A análise de trabalhos disponíveis
permitiu inferir que os compósitos reforçados com fibras de sisal, analisados
neste trabalho, sofreram menor influência da delaminação após as operações
88
81
de furação, quando comparados aos compósitos reforçados com fibras de
vidro. A Figura 49 mostra as imagens da entrada e da saída da broca no furo
com e sem tratamento de imagem dos seis corpos de prova com furo (CPCF)
analisados.
Figura 49: Imagem dos furos: a) sem tratamento – à entrada; b) sem tratamento – à
saída; c) com tratamento – à entrada e d) com tratamento – à saída.
a)
b)
c)
d)
89
81
4.3.2 Ensaio de tração em compósitos com furos
As curvas tensão x deformação do ensaio de tração dos corpos de prova
com furo central, estão apresentadas na Figura 50. Foi observado um trecho
linear elástico antes da fratura, com ruptura final caracterizada como ruptura
frágil.
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Te
ns
ão
(M
Pa
)
Deformação (mm/mm)
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Tensão X Deformação
Figura 50: Gráfico tensão x deformação – CPCF.
A Tabela 14 mostra os valores médios, o desvio padrão e o coeficiente
de variabilidade (CV) das propriedades mecânicas para os compósitos com
furo central.
Tabela 14: Propriedades mecânicas à tração do laminado PRFS – CPCF
Amostras
N=6
Frupt
(N)
Tensão
(MPa)
Deformação
(mm/mm)
Rigidez
(N/mm)
Média 4441,08 28,24 0,0233 1240
Desvio Padrão 311,91 2,66 0,0021 307,1
CV 7,02% 9,42% 8,91% 24,76%
90
81
4.3.2.1 Tensão residual
A tensão residual (σr) foi calculada para os corpos de prova com furo
central, diâmetro de 8 mm, em relação aos corpos de prova sem furos, a fim de
se quantificar a perda de resistência ocorrida no compósito devido a presença
do furo. O valor de tensão residual calculada, de acordo com a equação 19,
está exibida na Tabela 15.
Tabela 15: Tensão residual.
A partir dos resultados alcançados, pode-se concluir que os compósitos
PRFS com furo retiveram 72,8 % da resistência mecânica alcançada pelos
compósitos sem a presença de furo. Desta forma, a presença do furo
representa uma perda de resistência mecânica de 27,2 %. O resultado se
mostrou coerente e maior ao encontrado por Fontes (2013) para compósitos
híbridos (fibra de juta/fibra de vidro). O autor analisou a tensão residual para
compósitos com furos de 7,5 mm e 9 mm de diâmetro, obtendo,
respectivamente, o valor de 0,681 e 0,646, que representa uma retenção de
resistência mecânica de 68,1% e 64,6%, respectivamente.
4.3.2.2 Modo de falha
As imagens das fraturas dos corpos de prova com furo foram obtidas por
scanner digital 1200 dpi e permitiram uma avaliação macroscópica desta
região. A fratura segundo a norma ASTM 5766 – 11 ocorreu na seção
transversal através do furo (LGM), falha aceitável e perfeitamente válida, como
visto na Figura 51.
D (mm) σr Desvio Padrão
8 0,728 0,0118
91
81
Figura 51: Fratura final para CPCF.
A Figura 52 permite a identificação da ocorrência de microfissuras
transversais na matriz, em relação à direção de aplicação da carga. Nas
regiões mais afastadas do furo essas fissuras se apresentam mais retilíneas e
pouco intensas. À medida que se aproxima do furo, as microfissuras da matriz
tornaram-se mais intensas e distorcidas em relação à forma perpendicular que
assumiam nas regiões distantes do furo. Este fato confirma a concentração de
tensão ao redor do furo, prevista na literatura, devido a presença de
descontinuidades. Além, do desvio das microfissuras devido à presença dos
furos, a ampliação desta figura mostrou, também, a ruptura total das fibras de
sisal.
Figura 52: Concentração de tensões próximas ao furo.
Microfissuras transversais
Distorção das microfissuras transversais
92
81
As microfissuras transversais nas regiões distantes do furo foram
observadas no início do ensaio, com o aumento do carregamento observou-se
um aumento na intensidade das fissuras e distorções nas regiões próximas ao
furo até a ruptura total na secção transversal do furo.
4.4 LIGAÇÕES MECÂNICAS
Realizou-se tratamento estatístico, teste t para amostras independentes,
dos dados amostrais para comparação entre as condições experimentais
analisadas (w/D = 2, 3 e 4; e e/D = 1, 2, 3 e 4). Na análise estatística dos dados
foi considerado um nível de confiança de 95%.
4.4.1 Ensaio de tração
- Grupo I: w/D = 2
No grupo I foram analisados o desempenho mecânico das ligações com
relação geométrica, w/D=2 para e/D=1, e/D=2, e/D=3 e e/D=4. Na Figura 53
estão exibidas as curvas de força (N) x deslocamento (mm) desse grupo.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=2, e/D=1
a)
93
81
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
Fo
rça
(N)
Deslocamento(mm)
w/D=2, e/D=2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento(mm)
w/D=2, e/D=3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento(mm)
w/D=2, e/D=4
Figura 53: Curva força x descolamento para o grupo I.
b)
c)
d)
94
81
Na Figura 53, em algumas ligações podem-se observar um ligeiro atraso
no carregamento, por volta de aproximadamente 100 N, em torno de 1 mm de
deslocamento. Esse atraso no carregamento pode ser atribuído a pequenas
folgas da articulação (McCARTHY et al., 2002).
Outra característica observada nessa figura é que algumas ligações
perderam toda a capacidade de transferência de carga, como por exemplo, o
corpo de prova (CP2) da Figura 53c, enquanto que outras ligações
apresentaram certa absorção de energia após a carga última, como o CP3 da
Figura 53c. A observação visual das curvas da Figura (53b, 53c e 53d) permite
inferir que as ligações com e/D≥2, apresentaram desempenhos semelhantes
referentes às cargas suportadas, o que sugere um desempenho similar na
capacidade de carga, com implicações em acidentes ou quando submetidas a
cargas de impacto (GRAY et al., 2014). As ligações com e/D=1 apresentaram
desempenho inferior na capacidade de suporte de carga comparada às demais
relações, e/D, estudadas.
Esses gráficos permitem, ainda, análises em termos de comportamento
de falha. A não linearidade das curvas, anterior à ruptura catastrófica final,
indica falha por esmagamento (bearing). Este fato é esperado uma vez que as
ligações devem ser produzidas para falhar inicialmente, por esmagamento, de
acordo com a norma ASTM D 5961 - 13.
Os efeitos de e, para w/D=2, na capacidade de suporte de cargas das
ligações, estão resumidos na Tabela 16. Como já observado graficamente as
ligações com e/D≥2, apresentaram resultados de carga de ruptura próximos,
observa-se pequenas variações. Sendo assim, é possível identificar
similaridades de desempenho entre essas ligações.
95
81
Tabela 16: Carga máxima de ruptura para o grupo I.
- Grupo II: w/D=3.
Na Figura 54 são apresentadas as curvas tensão x deformação das
ligações com relação geométrica w/D=3 para e/D=1, e/D=2, e/D=3 e e/D=4 do
grupo II.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=3, e/D=2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=3, e/D=2
Amostras Fruptura média (N) Desvio Padrão
Variância
w/D=2 e e/D=1 335,0 72,70 6606,00
w/D=2 e e/D=2 1119,80 74,53 6943,70
w/D=2 e e/D=3 1031,52 144,01 24887,00
w/D=2 e e/D=4 1147,70 105,50 11125,69
a)
b)
96
81
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=3, e/D=3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=3, e/D=4
Figura 54: Curva força x descolamento para o grupo II.
Como mostra a Figura 54, este grupo revelou atraso no carregamento
na maioria das ligações que, como mencionado, revela ligeira folga na
articulação. Observa-se esse atraso em torno de aproximadamente 100 N e em
1 mm de deslocamento (McCARTHY et al., 2002). A análise dos gráficos
mostra que algumas ligações perderam toda a capacidade de transferência de
carga, como por exemplo, o corpo de prova (CP1) da Figura 54a. Enquanto
que outras ligações apresentaram certa absorção de energia após a carga
última. Observou-se a predominância desse comportamento na Figura 54c,
relação e/D=3. As ligações apresentaram valores próximos de capacidade de
carga para e/D≥2, conforme Figura (54b, 54c e 54d), o que sugere um
d)
c)
97
81
desempenho similar na capacidade de carga entre essas ligações, com
implicações em acidentes ou quando submetidas a cargas de impacto (GRAY
et al., 2014).
A não linearidade observada antes da ruptura catastrófica final nas
curvas da Figura 54 revela modo de falha por esmagamento. Tal fenômeno é
esperado, já que as juntas devem falhar inicialmente por esmagamento, de
acordo com a norma ASTM D 5961 - 13. Os efeitos da distância do centro do
furo à borda livre (e), para w/D=3, na capacidade de carga das ligações, estão
resumidas na Tabela 17. Os resultados para cargas de ruptura confirmam as
pequenas variações entre os valores obtidos nas ligações para e/D≥2, sendo
possível identificar similaridades de desempenho entre essas ligações.
Tabela 17: Carga máxima de ruptura para o grupo II.
Amostras Frupt média (N) Desvio
Padrão Variância
w/D=3 e e/D=1 966,0 181,12 39366,40
w/D=3 e e/D=2 1902,7 365,26 160098,27
w/D=3 e e/D=3 2022,3 121,30 17683,07
w/D=3 e e/D=4 1886,2 205,22 50046,97
98
81
Grupo III: w/D=4.
Na Figura 55 são apresentadas as curvas tensão x deformação das
ligações com relação geométrica w/D=4 para e/D=1, e/D=2, e/D=3 e e/D=4 do
grupo III.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=4, e/D=1
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=4, e/D=2
b)
a)
99
81
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=4, e/D=3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
Fo
rça
(N)
Deslocamento (mm)
w/D=4, e/D=4
Figura 55: Curva força x descolamento para o grupo III.
O atraso no carregamento, também, observado nesse grupo em todas
as ligações, Figura 55, revela ligeira folga na articulação, esse atraso é
observado em torno de aproximadamente 100 N e em 1 mm de deslocamento
(McCARTHY et al., 2002). A análise dos gráficos permitiu identificar que as
ligações desse grupo apresentaram certa absorção de energia após a carga
última, como o (CP1) da figura 55b. As curvas das ligações com e/D≥2, Figura
(55b, 55c e 55d) apresentaram proximidade na capacidade de suporte de
carga, o que sugere um desempenho similar para essas ligações, com
d)
c)
100
81
implicações em acidentes ou quando submetidas a cargas de impacto (GRAY
et al., 2014).
As cuvas apresentaram-se não lineares, antes da ruptura catastrófica
final, Figura 55, o que demonstra ocorrência de falhas por esmagamento, o que
é esperado, pois, a norma ASTM D 5961 - 13 recomenda que as ligações
sejam dimensionadas de modo que, inicialmente as falhas ocorram por
esmagamento. A não linearidade antes da ruptura revela falhas por
esmagamento. As análises, posteriores, do modo de falha confirmam a
presença desse tipo de falha no grupo referido.
Os efeitos da distância do centro do furo à borda livre (e) para w/D = 3,
na capacidade de suporte de carga das ligações estão resumidas na Tabela 18.
Os resultados numéricos indicam pequenas variações entre as cargas de
ruptura, para ligações e/D≥2, sendo possivel deduzir similaridades de
desempenho entre essas ligações, o que pode ser observado, também,
graficamente.
Tabela 18: Carga máxima de ruptura para ligações do grupo III.
O teste estatístico t para amostras independentes foi realizado com os
dados amostrais obtidos nos ensaios. Esta técnica de inferência estatística
permitiu a comparação entre as condições experimentais analisadas para as
ligações mecânicas solicitadas à carga de tração. Para o teste t são definidas
as hipóteses H0: µ1=µ2 (hipótese nula), as médias são iguais, não há diferenças
significativas entre as amostras analisadas e H1: µ1≠µ2 (hipótese alternativa),
as médias são diferentes, há diferenças significativas entre as amostras em
Amostras Frupt média (N) Desvio
Padrão Variância
w/D=4 e e/D=1 1021,67 69,91 5864,27
w/D=4 e e/D=2 1877,33 126,35 19158,00
w/D=4 e e/D=3 2240,17 169,01 34278,17
w/D=4 e e/D=4 2129,17 164,33 32405,77
101
81
estudo. H0: Não há diferenças significativas entre as cargas de ruptura
suportada pelas ligações; e H1: Há diferenças significativas entre as cargas de
ruptura suportada pelas ligações. Adotou-se o nível de significância de α =
0,05; quando p > 0,05, aceita H0, e se p < 0,05, rejeita H0.
Para analisar a influência dos parâmetros (e) e (w) na integridade da
ligação sob carregamentos axiais, as análises estatísticas foram realizadas em
duas etapas. Na primeira etapa o w foi mantido constante, e foi analisada a
influência do e, e a segunda manteve-se constante o e; e foi analisada a
influência do w.
Nas Tabela 19, 20 e 21 é exibido um resumo dos resultados estatísticos
das comparações entre médias, das relações e/D, para w/D=2, w/D=3 e w/D=4.
Tabela 19: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação w/D=2.
w/D Frupt média (N) t p (%)
2
e/D = 1 e/D = 2 -15,1 0,000037*
335 1119,8
e/D = 1 e/D = 3 -8,9 0,00095*
335 1031,5
e/D = 1 e/D = 4 -14,0 0,000020*
335 1147,7
e/D = 2 e/D = 3 1,1 29,1**
1119,8 1031,5
e/D = 2 e/D = 4 -0,5 64,4**
1119,8 1147,7
e/D = 3 e/D = 4 -1,5 16,4**
1031,5 1147,7
*p<5% **não significativo
102
81
Tabela 20: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação w/D=3.
w/D Frupt média (N) t p(%)
3
e/D = 1 e/D = 2 - 5,1 0,04*
966 1902,7
e/D = 1 e/D = 3 - 10,8 0,00007*
966 2022,3
e/D = 1 e/D = 4 - 7,5 0,002*
966 1886,2
e/D = 2 e/D = 3 - 0,8 51,3**
1902,7 2022,3
e/D = 2 e/D = 4 - 0,1 93,1**
1902,7 1886,2
e/D = 3 e/D = 4 1,3 22,9**
2022,3 1886,2
*p<5% **não significativo
Tabela 21: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação w/D=4.
w/D Frupt média (N) t p(%)
4
e/D = 1 e/D = 2 -13,2 0,00002*
1021,7 1877,3
e/D = 1 e/D = 3 -14,9 0,0001*
1021,7 2240,2
e/D = 1 e/D = 4 -13,9 0,00002*
1021,7 2129,2
e/D = 2 e/D = 3 -3,8 0,3*
1877,3 2240,2
e/D = 2 e/D = 4 -2,7 2,1*
1877,3 2129,2
e/D = 3 e/D = 4 1,1 31,7 **
2240,2 2129,2
*p<5% **não significativo
103
81
A observação das Tabelas 19, 20 e 21 permitiu inferir que as ligações
com a menor relação e/D analisada, e/D=1, apresentaram resistência à carga
de ruptura inferior às ligações com relações e/D=2; e/D=3 e e/D=4, para todas as
larguras (w) analisadas. Entretanto, constatou-se uma estabilização da
influência do parâmetro e na capacidade de carga da ligação.
Para as relações w/D=2 e w/D=3 essa estabilização ocorreu para e/D≥2.
Já para w/D=4, a influência de e estabilizou para as relações e/D≥3. Assim,
pode-se concluir que existe um valor limite de e (elim) para o qual há uma
contribuição efetiva desse parâmetro no desempenho da ligação. A partir desse
valor não se verificam melhorias significativas na resistência da ligação, com o
aumento de e. Pode-se ainda inferir que esse valor elim relaciona-se com a
contribuição do parâmetro w, ou seja, para um determinado valor de w, o e
pode contribuir para o aumento da capacidade de carga da ligação. Estas
afirmações podem definir a escolha de um valor ótimo de e (eótimo), que permita
o desempenho das funções de transferências de carga das ligações com
segurança, podendo ainda influenciar no custo da ligação.
Nas Tabela 22, 23, 24 e 25 estão apresentados os resumos dos
resultados estatísticos das relações w/D, para e/D=1, e/D=2, e/D=3 e e/D=4.
Tabela 22: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=1.
e/D Frupt média (N) t p(%)
1
w/D = 2 w/D = 3 2,3 0,0097*
335 966
w/D = 2 w/D = 4 2,3 0,000016*
335 1021,7
w/D = 3 w/D = 4 2,4 54**
966 1021,7
*p<5% **não significativo
104
81
Tabela 23: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=2.
e/D Frupt média (N) t p(%)
2
w/D = 2 w/D = 3 2,4 0,34*
1119,8 1902,7
w/D = 2 w/D = 4 2,3 0,00021*
1119,8 1877,3
w/D = 3 w/D = 4 2,4 89**
1902,7 1877,3
*p<5% **não significativo
Tabela 24: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=3.
e/D Frupt média (N) t p(%)
3
w/D = 2 w/D = 3 2,2 0,000035*
1031,5 2022,3
w/D = 2 w/D = 4 2,2 0,000026*
1031,5 2240,2
w/D = 3 w/D = 4 2,2 4,1*
2022,3 2240,2
*p<5% **não significativo
Tabela 25: Análise estatística da carga de ruptura das ligações com relação e/D=4.
e/D Frupt média (N) t p(%)
4
w/D = 2 w/D = 3 2,2 0,0026*
1147,7 1886,2
w/D = 2 w/D = 4 2,2 0,000043*
1147,7 2129,2
w/D = 3 w/D = 4 2,2 6,5**
1886,2 2129,2
*p<5% **não significativo
105
81
A análise das Tabelas 22, 23, 24 e 25 permite identificar que as
ligações com a menor relação w/D analisada, w/D=2, apresentaram resistência
à carga de ruptura inferior às ligações com relações w/D=3 e w/D=4, para todas
as distâncias do centro do furo à borda livre (e) estudadas. Constatou-se uma
estabilização da influência do parâmetro w na capacidade de carga da ligação.
Para as relações e/D=1 e, e/D=2, essa estabilização ocorreu para w/D≥3. Já
para e/D=3 e e/D=4, observou-se um aumento da capacidade de carga, embora
não tenha sido expressivo. Pode-se concluir que a partir de um determinado
valor de e, o aumento do valor de w pode contribuir para uma melhoria no
desempenho mecânico da ligação, embora a partir de um determinado valor w
esse aumento não seja mais expressivo. À medida que o valor de w/D
aumenta, a sua influência no desempenho da ligação vai se tornando menos
expressiva, tendendo a uma estabilização. Assim, pode-se concluir que existe
um valor limite de w (wlim) para o qual há uma contribuição efetiva desse
parâmetro no desempenho da ligação. Pode-se ainda inferir que a influência de
w/D na eficiência da ligação, relaciona-se com a contribuição do parâmetro e,
ou seja, para um determinado valor de e, o w pode contribuir para o aumento
da capacidade de carga da ligação. Estas afirmações podem definir a escolha
de um valor ótimo de w (wótimo), que permita o desempenho das funções de
transferências de carga das ligações com segurança, podendo ainda influenciar
no custo da ligação.
A Figura 56 apresenta um gráfico comparativo em que é possível
identificar a influência dos valores das relações e/D na capacidade de carga
das ligações. Desta forma, a partir da análise gráfica (Figura 56) pode-se
depreender que as ligações com w/D = 2, apontaram transferência de carga
inferior quando comparadas às relações w/D = 3 e w/D = 4, para todos os
valores e/D estudados. Observa-se que a partir de um determinado valor de w,
o aumento deste parâmetro não influencia significativamente no desempenho
mecânico da ligação.
106
81
Como pode ser visto no gráfico (Figura 56) com auxílio das Tabelas (19,
20 e 21) as ligações com relação w/D= 3 e w/D = 4 para e/D = 1 e para e/D =2
apresentaram desempenhos similares. Para w/D = 2 e w/D = 3, houve uma
estabilização da capacidade de carga da ligação para e/D ≥ 2. Analisando as
ligações com relação w/D = 4, se observa um aumento na capacidade de carga
da ligação, estabilizando em e/D ≥ 3, embora esse aumento não seja
expressivo, o que foi comprovado pela análise estatística. Com base nas
inferências estatísticas e gráficas, observa-se que o valor e, somente,
apresenta influência significativa no aumento da capacidade de carga da
ligação para e/D ≥ 2.
1 2 3 40
500
1000
1500
2000
2500
Fo
rça
(N
)
e/D
w/D=2
w/D=3
w/D=4
Figura 56: Influência das relações e/D na capacidade de carga das ligações.
A Figura 57 mostra um gráfico comparativo em que é possível identificar
visualmente a influência dos valores da relação w/D na capacidade de carga
das ligações. É possível, ainda, verificar que não há diferenças significativas
para w/D=2, quando e/D≥2, o mesmo acontece para w/D = 3, quando e/D ≥2 e
w/D=4 quando e/D≥3, o que significa que estes grupos apresentam
107
81
comportamento similares entre si quanto ao desempenho da ligação mecânica.
Indentificou-se, também, que a relação e/D=1 apresentou resultados inferiores
comparados às demais relações e/D, para todas as relações w/D de estudo.
Observou-se que a ligação w/D = 4, e/D = 2 suportam menores cargas quando
comparados com w/D = 4, e/D = 3 e w/D = 4, e/D = 4.
Pode-se concluir que as ligações com relações (w/D=4, e/D=3 e w/D=4,
e/D=4) apresentaram superioridade na capacidade de carga, comparadas aos
demais conjuntos geométricos estudados. Entre si apresentaram similaridade
quanto a capacidade de carga, o que indica, estatisticamente, que não
apresentaram diferenças significativas entre si. Sendo assim, essas ligações
foram as que melhor permitiram um desempenho eficiente dos membros
unidos possibilitando integridade da ligação na transferência de esforços dentre
as relações estudadas.
2 3 4
0
500
1000
1500
2000
2500
Fo
rça
(N
)
w/D
e/D=1
e/D=2
e/D=3
e/D=4
Figura 57: Influência das relações w/D na capacidade de carga das ligações.
108
81
4.4.2 Modo de falha
As juntas unidas por fixação mecânica, sob carga de tração,
apresentaram os quatro modos de falha típicos, previstos em literatura:
Clivagem (C), Tração (T), Cisalhamento (S) e Esmagamento (B). Observou-se
em alguns casos, a presença combinada desses modos de ruptura.
A ocorrência da combinação de dois ou mais modos de falha pode ser
denominada de modo de falha misto (SEN et al., 2008). A Figura 58 mostra os
modos de falha típicos observados após o ensaio de tração das ligações
mecânica analisadas.
(a) (b) (c) (d)
Figura 58: a) Falha por Clivagem (e/D = 1); b) Falha por Tração (e/D =4); c) Falha por
Cisalhamento (e/D = 1) e d) Falha por Esmagamento (e/D = 4).
Com base na Tabela 26, facilmente se observa que os modos de falha
possuem relação direta com os parâmetros geométricos da ligação. Como
pode ser visto os modos de falha do tipo tração, clivagem e cisalhamento,
característica de estrutura frágil, ocorreram para baixa relação de e/D e w/D,
enquanto que os modos de falha por esmagamento ou tipo misto foram
identificados para os valores mais altos de e/D e w/D. A Tabela 26 apresenta
um resumo dos modos de falha identificados após os ensaios de tração.
109
81
Tabela 26: Modo de falha dos laminados w/D e e/D.
w/D e/D
Corpos de Prova
CP 1 CP2 CP3 CP4 CP 5 CP 6
2 1 T T - C C C
2 B + T T B + T T - T
3 T T B + T B + T T B + T
4 B + T B + T B + T B + T B + T B + T
3 1 C S C S C C
2 B + T B + C B + T T B + T B + T
3 B + T B + T B + T B + T B + T B + T
4 B + T B + T B + T B B + T B + T
4 1 C C C C C S
2 B + T B + C B + T B + T + C B + T B + T + C
3 B + T B + T B + T B + T B + T B + T
4 B B B + T B + T B + T B + T
C: Clivagem, T: Tração, S: Cisalhamento, B: Esmagamento.
Com base na análise do modo de falha, Tabela 26, conclui-se que as
conexões com relações e/D = 1 independente do valor de w/D, apresentaram
os modos de falha que caracterizam uma fragilidade da ligação. Esta relação
geométrica também apresentou cargas de ruptura inferiores quando
comparadas com as demais relações de e/D, em estudo, como pode ser visto
nos gráficos apresentados nas figuras 56 e 57. As ligações com w/D = 2, além
de terem apresentado resultados de cargas de ruptura significativamente
menores que as demais relações w/D, também obtiveram os modos de falhas
mais frágeis.
O modo de falha por esmagamento é o mais conveniente e
recomendado pela norma ASTM 5961 - 13, pois, embora seja classificado
110
81
como falha, a falha por esmagamento não representa a ruptura total do
material, e sim uma ovalização e desgaste da região ao redor do furo. A falha
por esmagamento da estrutura de ligação representa um aviso de que a
ligação chegou ao fim da sua capacidade de carga, porém, sem apresentar a
ruptura total. Esse modo de ruptura foi observado para as maiores relações
w/D e e/D.
A partir da análise da Tabela 26, considerando e/D>1, depreende-se que
a relação w/D = 2, apresentou 65% dos modos de falha do tipo misto (B+T), a
relação w/D = 3 observou-se 94% dos modos de ruptura por esmagamento (B)
ou misto (B+T) e na relação w/D = 4 houve uma predominância absoluta de
100% das falhas do tipo esmagamento (B) ou misto (B+T). Os resultados
apontam para uma eficiência desse grupo (w/D=4), tanto em relação à
capacidade de carga da ligação, como o discutido na seção anterior, quanto
com relação ao modo de falha.
Com base na análise da capacidade de carga e modo de falha das
ligações, a Tabela 27 apresenta as relações geométricas que melhor
permitiram o desempenho das funções de transferência de carga entre os
membros conectados.
Tabela 27: Resumo das relações geométricas que apresentaram melhores
desempenhos na capacidade de carga da ligação.
w/D e/D Frupt média (N) Rigidez (N/mm)
3 2 1902,7 571,8
3 3 2022,3 689,0
3 4 1886,2 637,4
4 2 1877,3 537,5
4 3 2240,2 600,2
4 4 2129,2 556,2
111
81
Entre essas, estão em destaque as relações que apresentaram
desempenho superior em resistência e modo de falha. Assim sendo, as
ligações com relações geométricas w/D=4; e/D=3 e w/D=4 e e/D=4
apresentaram capacidade superior de transferência de esforços e melhores
modos de ruptura, estatísticamente essas relações não apresentaram
diferenças significativas entre si, como visto na seção anterior.
A Tabela 28 apresenta um resumo das relações geométricas quanto a
força solicitante mínima para a ligação.
Tabela 28: Resumo das relações geométricas quanto a força solicitante mínima para a
ligação.
Considerando a força solicitante (FS), força que a ligação solicita a peça
para cada relação geométrica estudada e a força resistente (FR) como sendo a
w/D e/D Frupt média (N) FR (N) FS MF
1 335
4441,1
8% FR
T e C
2 1119,8 4441,1 25% FR T
2 3 1031,5 4441,1 23% FR B+T e T
4 1147,7 4441,1 26% FR B+T
1 966 4441,1 22% FR C
3 2 1902,7 4441,1 43% FR B+T
3 2022,3 4441,1 46% FR B+T
4 1886,2 4441,1 42% FR B+T
1 1021,7 4441,1 23% FRcf C
4 2 1877,3 4441,1 42% FRcf B+T
3 2240,2 4441,1 50% FRcf B+T
4 2129,2 4441,1 48% FRcf B+T
112
81
força resistente da área líquida, ou seja, a força média de ruptura (Frupt)
suportada pelos corpos de prova com furo. As análises entre essas forças,
Tabela 28, mostra uma relação de quanto à ligação solicitou a peça. A partir
dessa tabela pode-se depreender que as ligações com relações geométrica
e/D=1, para todos os valores de w, compôs um conjunto geométrico que não
permitiu um melhor aproveitamento da capacidade total de carga apresentada
pelo material, considerando a secção líquida, força resistente (FR). O conjunto
geométrico formado pela relação e/D=1 não foi suficiente para mobilizar cargas
que permitam uma integridade eficiente da ligação, pois, permitiu perdas de
resitência importantes.
Com base na análise experimental de ligações, com apenas um
parafuso, do tipo sobreposta simples, em material compósito reforçado com
fibra de sisal foi possível estabelecer os valores de esforços resistentes e
solicitantes característicos da ligação, Tabela 29.
Tabela 29: Esforços resistentes e solicitantes da ligação mecânica.
Esforços Frupt média (N) Desvio padrão
Força resistente da área bruta FR bruta (N) 4578,1 660,7
Força resistente da área líquida FR líquIda (N) 4441,1 311,9
Resistência da ligação à clivagem (N) 806,9 326,4
Resistência da ligação à tração (N) 987,5 419,5
Resistência da ligação ao cisalhamento (N) 1057,7 167,8
Resistência da ligação ao esmagamento (N) 2113,3 185,8
113
81
5 CONCLUSÕES
A crescente necessidade de conectar peças conduz à utilização de
ligações mecânicas, principalmente devido às vantagens de montagem e
desmontagem, flexibilidade e facilidade de inspeção que essa união apresenta.
A fragilidade de resistência mecânica, introduzida por esse elemento na
estrutura, torna relevante o estudo dessas uniões.
Devido a anisotropia do material foi estudado o comportamento do
compósito em três direções: longitudinal, transversal e diagonal. O compósito
apresentou melhor desempenho mecânico, em ordem decrescente, nas
direções longitudinal, transversal e na direção [45º/ -45º/ 45º]. Resultado
esperado, uma vez que, a direção longitudinal [0º/ 90º/ 0º] é composta por
maior quantidade fibras alinhadas na direção preferencial de alta resistência.
A união entre peças exige, anterior, operações de furação, as quais
podem provocar danos nas estruturas de compósito a serem unidas. Os danos
mais importantes, causados durante a execução de furos em compósitos, são a
delaminação, pois podem provocam perda das propriedades mecânicas do
material. Os resultados indicaram que os furos analisados não apresentaram
delaminação à entrada “peel-up” e a delaminação à saída “push-down” foi
calculada em Fd = 1,121. Os compósitos reforçados com fibras de sisal,
analisados neste trabalho apresentou valores de Fd inferiores aos apresentados
por compósitos de fibras de vidro estudados na literatura.
O trabalho mensurou as perdas de resistência ocasionadas pela
presença dos furos, por meio do cálculo da tensão residual (σr). O trabalho
apontou uma tensão residual (σr) de 72,8% e a presença do furo concêntrico
representou uma perda de resistência de 27,2 %. A presença do furo, seja
ocasionado por danos de delaminação, seja pela concentração de tensão na
região dos furos, ocasionou as perdas de resitência, identificada a cima.
Comprovou-se que, de fato, a presença de furo diminui a resistência do
114
81
compósito. No entanto essas perdas foram inferiores aos valores encontrados
em literatura para compósitos reforçados com outras fibras.
A investigação experimental dos efeitos dos parâmetros geométricos de
ligação largura (w) e distância do centro do furo à borda livre (e) nas ligações
permitiu identificar que existe um valor limite de e (elim) e w (wlim), a partir do qual
o aumento de e e w não contribui para o aumento da capacidade de carga da
ligação. Neste trabalho essa estabilização ocorreu em e/D ≥ 2, para w/D = 2 e 3
e em e/D ≥ 3, para w/D = 4. Esses resultados indicam que é possível definir um
valor ótimo de e (eótimo), que permita o desempenho eficiente das ligações,
tendo em vista, a segurança e podendo ainda influenciar no custo da ligação.
A análise do modo de falha identificou que as falhas por tração, clivagem
e cisalhamento, característica de estrutura frágil, ocorreram para baixas
relações de e/D e w/D, enquanto que os modos de falha por esmagamento ou
tipo misto, sendo mais conveniente e recomendado por norma, foram
identificados para os valores mais altos de e/D e w/D. Conclui-se que os modos
de falha estão diretamente relacionados com os parâmetros geométricos da
ligação.
O trabalho, ainda, apontou que as ligações com relações geométricas
w/D ≥3 e e/D ≥2 apresentaram os melhores desempenhos de transferências de
carga, entre as partes unidas da ligação, e modos de falhas aceitáveis por
norma.
O estudo experimental permitiu estabelecer os valores de esforços
resistentes e solicitantes da ligação em estudo. A força resistente da área bruta
FR bruta igual a 4578,1 N, a força resistente da área líquida FR líquIda igual a
4441,1 N; força da ligação à clivagem igual 806,9 N; resistência da ligação à
tração N igual 987,5 N; resistência da ligação ao cisalhamento igual a 1057,7 N
e a resistência da ligação ao esmagamento igual a 2113,3 N.
115
81
6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
1- Comparação entre ligações mecânicas em laminados com sequência de
empilhamento [90º/ 0º/ 90º] e [0º/ 90º/ 0º].
2- Análise das ligações mecânicas com relações geométricas, não
estudadas: e/D = 1, 2, 3, 4 e 5; w/D = 2, 3, 4 e 5.
3- Estudo experimental do comportamento e modo de falha de ligação
mecânica variando o número de fixador: sobreposta simples com um
fixador – single bolt single lap (SBS) e sobreposta simples com dois
fixadores – double bolt single lap (DBS).
4- Estudo experimental do comportamento e modo de falha de ligação
mecânica com diferentes configurações de junta: sobreposta simples
(single lap joint), junta sobreposta dupla (double lap joint) e junta de topo
(butt joints).
5- Análise do efeito da umidade na ligação mecânica.
6- Estudo das propriedades e modos de falha das ligações mecânicas
utilizando método dos elementos finitos (MEF).
7- Estudo aprofundado do efeito do momento de flexão na região
parafusada.
8- Estudo dos danos de delaminação ocasionados por diferentes
processos de execução do furo e seus impactos na resistência mecânica
do compósito.
9- Estudo do efeito de furos, com diferentes diâmetros (D), no
comportamento mecânico do laminado.
10- Estudo do efeito de furos, com diferentes diâmetros (D), no
desempenho das ligações mecânicas.
116
81
7 REFERÊNCIAS
ABRATE, S. Machining of Composite Materials. New York: Composites
Engineering Handbook, Ed. P. K. Mallick, Marcel Dekker, p. 777–809, 1997.
AGARWAL, B.D.; BROUTMAN L.J.; CHANDRASHEKHARA, K. Analysis na
performance of fiber composites. Editora: Terceira edição. Canadá, 2006.
ALLEN, S.M.; THOMAS, E.L. The Structure of Materials. Editora: John Wiley &
Sons. Cambridge, Massachusetts, 1999.
ALMEIDA, S.F.M.; NOGUEIRA NETO, Z.S. Effect of Void Content on the
Strength of Composite Laminates. Composites Structures. 28, p.139-148,
1994.
ALVES, M.O; SANTIAGO, E.G. Tecnologia e Relações Sociais de Produção
no Setor Sisaleiro Nordestino. Artigo. Ribeirão Preto, 2005.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D5961 /
D5961M – 13. Standard test Method for Bearing Response of Polymer
Matrix Composite Laminates, 2013.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D3518/D
D3518M – 94 (2001). Standard test Method for In-Plane Shear Response of
Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a 645° Laminate,
2001.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D5766 /
D5766M – 11. Standard Test Method for Open-Hole Tensile Strength
Polymer Matrix Composite Laminates, 2011.
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