A fibra Vectran® é uma fibra multifilamento termoplástica de alta performance obtida de LCP (Polímero de Cristal Líquido), oferecendo um conjunto de propriedades que não pode ser atingido por outras fibras de alta performance. A Figura 3.11 ilustra fios desta fibra.
As informações apresentadas nesta seção a respeito desta fibra são baseadas nos dados apresentados por Vectran® Informational Flyer (2010).
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Figura 3.11 - Fibra Vectran®
Fonte: Próprio Autor (2014)
3.4.1 Arranjo Químico
As moléculas do polímero LCP são estruturas rígidas organizadas em domínios ordenados tanto em forma sólida como líquida. Esses domínios ordenados resultam em um comportamento anisotrópico na forma líquida, originando o termo "liquid crystal
polymer". A fibra é formada pela extrusão do LCP derretido através de capilares, sendo
que durante este processo de extrusão os domínios moleculares estão orientados paralelamente ao eixo da fibra.
A estrutura altamente orientada resulta em excelentes propriedades tensoras da fibra, conforme demonstrado na Figura 3.12.
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Figura 3.12 - Esquema da cadeia de moléculas da fibra
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010) - Adaptada
3.4.2 Estrutura Molecular
A estrutura molecular do LCP pode ser observada na Figura 3.13.
Figura 3.13 - Estrutura molecular do LCP
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010)
Em poliésteres convencionais, as cadeias moleculares são aleatórias e flexíveis, de forma que fibras obtidas destes materiais devem ser posteriormente orientadas para obter um melhor resultado nas propriedades relacionadas à tensão. No caso das fibras Vectran®, a estrutura altamente orientada é obtida diretamente no processo de
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extrusão, graças a estrutura molecular do LCP e a natureza líquido-cristalina do polímero utilizado.
A fibra Vectran® é diferente de outras fibras de alta performance como aramida e polietileno de peso molecular ultra elevado (ultra-high molecular weight polyethylene -
HMPE). Em uma comparação básica, salienta-se que a fibra Vectran® é obtida através do derretimento do polímero e é um material termotrópico, fundindo quando sujeita a temperaturas elevadas (próximo a 200ºC). Já a fibra aramida não derrete quando submetida a temperaturas elevadas e é um liotrópico, necessitando da adição de um solvente ao material base para ser produzida. A fibra obtida do HMPE é produzida com adição de um gel e derrete quando submetida à baixas temperaturas.
3.4.3 Propriedades de Resistência
Comparada com os metais convencionais que podem ser utilizados para reforçar estruturas, as fibras Vectran® apresentam uma grande vantagem em termos de relação resistência por peso (apresentando baixa densidade e elevada resistência). Nas Tabelas 3.5 e 3.6, pode-se observar as propriedades de resistência de alguns materiais utilizados como reforço, bem como as propriedades mecânicas médias do filamento Vectran®.
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Tabela 3.5 - Comparação de propriedades de materiais utilizados como reforço
Material Densidade (g.cm-3) Tensão de Ruptura (GPa) Comprimento de Ruptura (1) Módulo de Elasticidade (GPa) Módulo Específico (2) Vectran® NT 1,4 1,1 79 52 3700 Vectran® HT 1,4 3,2 229 75 5300 Vectran® UM 1,4 3,0 215 103 7400 Titânio 4,5 1,3 29 110 2500 Aço Inox 7,9 2,0 26 210 2700 Alumínio 2,8 0,6 22 70 2600 Fibra de Vidro 2,6 3,4 130 72 2800 Fibra de Grafite AS4 1,8 4,3 240 230 13000
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010)
(1) - Corresponde ao comprimento (em km) da fibra que poderia ser mantido em uma direção vertical sem que ocorra o rompimento da fibra.
(2) - Corresponde à relação Módulo de Elasticidade/Densidade, dividida pela força gravitacional nas unidades do SI. O valor aumenta à medida que a rigidez aumenta e a densidade diminui.
Tabela 3.6 - Propriedades mecânicas médias do filamento Vectran®
Vectran® HT Vectran® UM Tensão de Ruptura (GPa) 3,2 3,0
Módulo Inicial (GPa) 75 103
Deformação de ruptura (%) 3,8 3,8 Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010)
3.4.4 Propriedades Térmicas
Quando comparadas com fibras aramida, as fibras Vectran® demonstram um bom desempenho, apresentando os seguintes resultados:
- Adequado LOI – Limiting Oxygen Index – Índice Limite de Oxigênio (refere-se a quantidade de oxigênio necessário na atmosfera para suportar a combustão) e baixa geração de fumaça;
36 - Baixa retração térmica;
- Adequada manutenção da constituição em testes de inflamabilidade vertical; - Adequada manutenção de resistência após exposição ao ar quente;
- Coeficiente de expansão térmica negativo e baixo;
- Excelente manutenção das propriedades em uma ampla variação de temperaturas.
As Tabelas 3.7 e 3.8 demonstram, respectivamente, a comparação de propriedades térmicas das fibras Vectran® e aramida e a recuperação da umidade de equilíbrio destas duas fibras.
Tabela 3.7 – Comparação de propriedades: Fibras Vectran®
e aramida
Vectran® Aramida
HT UM Padrão Módulo Elevado
LOI – Índice limite de oxigênio
( Low Oxigen Index) 28 30 30 30 HAS - Contração ao ar quente
(Hot Air Shrink, 180 ºC, 30 min.), % < 0.2 < 0.1 < 0.2 < 0.1 BWS - Contração em água fervendo
(Boiling water shrinkage, 100 ºC, 30 min.), % < 0.2 < 0.1 < 0.2 < 0.1 Temperatura com retenção de 50% da
resistência, ºC 145 150 400 230 TGA - Análise termogravimétrica (Thermal
gravimetric analysis - 20% weight loss, ºC) > 450 > 450 > 450 > 450
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010)
Tabela 3.8 – Recuperação da umidade de equilíbrio
Vectran® Aramida Temperatura
(ºC) Umidade Relativa (%) HT UM Padrão Módulo Elevado
20 65 < 0.1 < 0.1 4.2 4.1
20 80 < 0.1 < 0.1 4.8 4.8
20 90 < 0.1 < 0.1 5.4 5.5
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Uma vez que a capacidade de manter as propriedades mecânicas durante ou após a exposição térmica é de extrema importância nas mais variadas aplicações, é relevante conhecer o comportamento das fibras utilizadas nestas situações. As Figuras 3.14 a 3.20 fornecem uma comparação entre as fibras Vectran® e aramida, expondo a resistência das fibras em determinadas situações. A comparação com a fibra aramida ocorre devido à concorrência direta entre os dois materiais no mercado internacional.
A Figura 3.14 refere-se à resistência em temperaturas elevadas, quando submetida simultaneamente ao carregamento mecânico e térmico. Já a Figura 3.15 evidencia a resistência da fibra testada à temperatura ambiente, após ser submetida por 24 horas a uma temperatura elevada. Percebe-se que, durante a exposição térmica as fibras aramida demonstram-se mais eficientes. No entanto, quando solicitadas após exposição térmica as fibras Vectran® apresentam melhor manutenção da tenacidade.
Figura 3.14 – Resistência à temperaturas elevadas
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Figura 3.15 – Resistência após exposição térmica
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010) - Adaptada
Salienta-se que em ocasiões em que ocorre uma exposição cíclica ou de longa duração ao efeito térmico a fibra Vectran® possui um grande período de vida útil. As Figuras 3.16 e 3.17 demonstram, respectivamente, que a perda de resistência da fibra é quase nula quando exposta a 120 ºC por vários ciclos e que quando submetida ciclicamente à temperaturas ainda mais elevadas, a fibra Vectran® é superior a fibra aramida quando se trata de perda de resistência.
Também são demonstradas outras duas situações comparando as fibras nas Figuras 3.18 e 3.19. No primeiro caso avalia-se a exposição à temperaturas elevadas e no segundo caso a exposição ao vapor. Em ambas a situações, a fibra Vectran® é mais eficiente.
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Figura 3.16 – Tenacidade da fibra Vectran®
HT
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010) - Adaptada
Figura 3.17 – Tenacidade do fio Vectran®
HT 1500/300
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Figura 3.18 – Tenacidade após exposição térmica (250º C)
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010) - Adaptada
Figura 3.19 – Tenacidade após exposição à vapor (120 ºC)
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010) - Adaptada
Quando analisada a temperaturas baixas, a fibra Vectran® também se destaca, apresentando um comportamento diferenciado. Pode-se perceber, pela Figura 3.20 a seguir, que a fibra Vectran® apresenta um ganho de resistência nos testes realizados à -62 ºC.
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Figura 3.20 – Propriedades à baixas temperaturas
Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010) - Adaptada
Finalmente, expõe-se nas Tabelas 3.9 e 3.10 a condutividade térmica da fibra e o coeficiente de expansão térmica negativo, sendo que este último facilita o controle dimensional dos compostos.
Tabela 3.9 – Condutividade térmica da fibra Vectran®
HT
Direção Temperatura Densidade
Calor
Específico Condutividade Térmica
ºC g/cm-3 J/kg.ºK W/m.ºK 10-3cal/cm.s.ºC
Longitudinal 23 1.4 1100 1.5 3.5
Longitudinal 100 1.4 1420 2.0 4.7 Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010)
Tabela 3.10 – Coeficiente de expansão térmica (CTE) da fibra Vectran®
HT
Temperatura Direção CTE (m/m.ºC) -150 a 100 ºC Longitudinal -4.8 x 10-6
100 a 200 ºC Longitudinal -11.6 x 10-6 Fonte: Vectran® Informational Flyer (2010)
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3.4.5 Alongamento
A análise do alongamento do material é de extrema importância, principalmente quando este será submetido a um carregamento de longa duração. O gráfico da Figura 3.21, obtido de ensaios realizados em filamentos submetidos a carregamentos de até 30% da carga de ruptura (a temperatura ambiente), apresenta a deformação lenta observada do material.
Figura 3.21 – Comportamento do material - 30% da carga de ruptura
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4 ESTUDO ANALÍTCO
4.1 MATERIAIS
Uma vez que o escopo desta seção trata de uma análise teórica do comportamento de vigas reforçadas, os materiais necessários para a execução do estudo foram o compilador Dev-C++ (BloodshedSoftware, 2014) e as 24 seções de vigas teóricas apresentadas nas Figuras 4.1 a 4.8. Em relação às configurações das seções propostas, tem-se:
- variação da espessura da camada de reforço entre valores próximos a 1,0% e 3,5% da seção transversal, com o objetivo de avaliar os ganhos de rigidez e resistência; - utilização de duas espécies diferentes de madeira, uma vez que se espera que resultados mais significativos sejam observados em madeiras de menor resistência;
- variação das dimensões da seção e do comprimento do vão livre, com o objetivo de avaliar se há situações onde o reforço resulta em um ganho mais significativo.
Também por tratar-se de modelação teórica, foram utilizadas as propriedades da madeira encontradas na ABNT-NBR 7190 (1997), na condição padrão de referência, sem comprometimento dos resultados.
Figura 4.1 - Vigas Teóricas 1 a 3 - Conífera Classe C25 com 400 cm de comprimento
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Figura 4.2 - Vigas Teóricas 4 a 6 - Dicotiledônea Classe C40 com 400 cm de comprimento
Fonte: Próprio Autor (2014)
Figura 4.3 - Vigas Teóricas 7 a 9 - Conífera Classe C25 com 300 cm de comprimento
Fonte: Próprio Autor (2014)
Figura 4.4 - Vigas Teóricas 10 a 12 - Dicotiledônea Classe C40 com 300 cm de comprimento
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Figura 4.5 - Vigas Teóricas 13 a 15 - Conífera Classe C25 com 400 cm de comprimento
Fonte: Próprio Autor (2014)
Figura 4.6 - Vigas Teóricas 16 a 18 - Dicotiledônea Classe C40 com 400 cm de comprimento
Fonte: Próprio Autor (2014)
Figura 4.7 - Vigas Teóricas 19 a 21 - Conífera Classe C25 com 600 cm de comprimento
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Figura 4.8 - Vigas Teóricas 22 a 24 - Dicotiledônea Classe C40 com 600 cm de comprimento
Fonte: Próprio Autor (2014)
4.2 MÉTODO DE ANÁLISE
O método de análise adotado foi aquele proposto por Romani e Blaß (2001), demonstrado no item 3.2.2. O método abrange a variação do comportamento da seção transversal de uma viga de madeira laminada colada reforçada, onde esta apresenta deformações plásticas na região de compressão, divergindo do modelo tradicional elástico-linear apresentado por elementos de madeira. A escolha do método é justificada pelo trabalho exposto por Romani e Blaß (2001), onde foram executadas análises experimentais com resultados bastante próximos aos obtidos pelo modelo teórico, tornando-o aplicável a esta situação.
De acordo com Almeida et al (1986), a relação entre a resistência à compressão e a resistência à tração da madeira (fc0,k/ft0,k) deve ser considerada igual a 0,77 - valor também considerado pela ABNT-NBR 7190 (1997). Embora não exista uma norma específica para o dimensionamento de estruturas em madeira laminada colada no Brasil, a norma ABNT-NBR 7190 (1997) recomenda que a espessura das lâminas não exceda 30 mm, condição adotada neste trabalho.
Para satisfazer os objetivos propostos por este estudo, foram criadas as seções teóricas demonstradas no item 4.1, buscando variar as dimensões da seção
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transversal, a espécie da madeira e a espessura da camada de reforço. Considerando os modos de ruptura possíveis, as equações demonstradas no item 3.2.2 foram programadas com auxílio do software Dev-C++, permitindo determinar o momento último resistente e a rigidez à flexão de cada uma das seções propostas no item 4.1. Além disso, é possível determinar o aumento de rigidez ocasionado pela aplicação da camada de fibras, bem como a altura necessária de uma viga não reforçada para atingir a mesma resistência do elemento com camada de reforço.
Finalmente, inserindo também no programa as propriedades mecânicas das fibras de vidro e de carbono, torna-se possível comparar os resultados obtidos pela aplicação destes diferentes materiais com os da fibra Vectran®. A comparação do custo necessário também é viável, utilizando como dados de entrada o custo de cada material envolvido. É importante salientar que para a finalidade proposta, foram utilizados os valores característicos de resistência. Portanto, deve-se atentar para os coeficientes e reduções aplicáveis a cada caso específico indicados na norma ABNT-NBR 7190 (1997) nas situações de dimensionamento estrutural, uma vez que estes não foram considerados neste estudo.