Vigas de concreto armadas com taliscas de bambu Dendrocalamus Giganteus

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ARQUITETURA E URBANISMO

Aluna:

GISLEIVA CRISTINA DOS SANTOS FERREIRA

Orientador:

ARMANDO LOPES MORENO JR.

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VIGAS DE CONCRETO ARMADAS COM TALISCAS DE BAMBU

DENDROCALAMUS GIGANTEUS

GISLEIVA CRISTINA DOS SANTOS FERREIRA

Tese de Doutorado apresentada à Comissão de Pós-graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil, na área de concentração em Edificações.

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ii

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

F413v Ferreira, Gisleiva Cristina dos Santos Vigas de concreto armadas com taliscas de bambu

Dendrocalamus giganteus. / Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira.--Campinas, SP: [s.n.], 2007.

Orientador: Armando Lopes Moreno Junior

Tese (Doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.

1. Vigas de concreto. 2. Bambu. 3. Materiais de construção. 4. Construção de bambu. 5. Construção de concreto armado. I. Moreno Junior, Armando Lopes. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.

Título em Inglês: Beams of the concreto reinforced with strips of the Dendrocalamus giganteus bamboo

Palavras-chave em Inglês: Bamboo, Concrete, Beam Área de concentração: Arquitetura e Construção Titulação: Doutora em Engenharia Civil

Banca examinadora: Antonio Ludovico Beraldo, Mauro Augusto Demarzo, Marco Antonio Pereira e André Argollo Ferrão Munhoz

Data da defesa: 27/07/2007

Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

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alguns pesquisadores iniciaram nas últimas décadas estudos para viabilizar a aplicação do bambu como armadura em elementos de concreto.

Neste sentido, este trabalho pretende apresentar soluções ao principal problema de utilização do bambu como armadura em elementos estruturais de concreto, um modelo de dimensionamento eficaz, determinado os Estados limites últimos e de utilização. Para tanto, escolheu-se a espécie de bambu Dendrocalamus giganteus (Gigante) devido suas dimensões e fácil obtenção em todo território do Brasil.

Os colmos de bambu foram divididos em taliscas com seção transversal de 2 x 1 cm (largura x espessura). Em seguida, realizaram-se ensaios de caracterização física e mecânica, de acordo com procedimentos existentes na literatura e propostos neste trabalho. A partir dos resultados destes ensaios e dados propostos por FERREIRA (2002), foi realizado o dimensionamento teórico seguindo os procedimentos da NBR 6118 (2003). Para tanto, foi considerado o Estádio II, considerando-se como Estado limite último a deformação última do bambu igual a 2,0 ‰ e o encurtamento último do concreto igual a 3,5 ‰. Já para o Estado limite de utilização, foi determinada a força cortante máxima e o deslocamento vertical máximo. Foram confeccionadas 6 vigas com armadura longitudinal de taliscas de bambu retas e dobradas sem tratamento para melhorar a aderência.

Os resultados indicaram possibilidades na utilização de taliscas de bambu como armadura em vigas de concreto, havendo a necessidade dos cálculos serem realizados conforme o Estádio II. A utilização da armadura de bambu dobrada proporcionou uma melhor distribuição das fissuras e consequentemente, uma melhor ancoragem da armadura.

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vii

researches began in last decade’s studies to apply bamboo as reinforcement in concrete elements. In this sense, this work has intended to present solutions to most common problem in the application of bamboo in structural concrete elements: an efficient calculus procedure, obtaining the limit states.

Thus, it was chosen de Dendrocalamus giganteus specie because it’s easy to find this specimen in Brazil and because of its dimensions.

The bamboo caulis were cut in strips with 2 x1 cm cross section. Then it was realized physical and mechanical characterization tests, in accordance to literature proceedings ant methods proposed in this work. From this tests results and according to FERREIRA (2002), it was conducted the theorical calculus respecting NBR 6118 (2003).

It was considered second state, determining as an ultimate limit state the ultimate deformation of the bamboo equal to 2,0‰. For the service limit state it was determined the maximum vertical displacement. It was constructed six beams with longitudinal reinforcement of bamboo strips without adherence treatment and without stirrups. Three of this beams had its strips bent.

The results indicate the possibilities in the use of bamboo strips as reinforcement of concrete beams, following second state. The use of bent strips provided a better distribution of the cracks and consequently a better anchorage of the reinforcement.

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ix

RESUMO v

ABSTRACT vii

LISTA DE TABELAS xiii

LISTA DE FIGURAS xv

1 INTRODUÇÃO 1

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3

2.1 Características gerais do bambu 3

2.2 Características biológicas, morfológicas, anatômicas e químicas 5

2.3 Características físico-mecânicas 9

2.4 Variação dimensional do bambu e aderência entre o bambu e o

concreto 17

2.5 Deterioração e organismos destruidores da madeira e do bambu 33

2.5.1 Mofo e manchas 33

2.5.2 Fungos 33

2.5.3 Insetos xilófagos 34

2.6 Durabilidade do bambu como um material estrutural 35

2.7 Utilização estrutural do bambu 36

2.8 Vantagens e desvantagens do bambu 46

2.9 Dimensionamento do concreto armado 46

2.9.1 Definição dos Estados Limites 46

2.9.2 Segurança 48

2.9.3 As ações nas estruturas 48

2.9.3.1 Ações permanentes 49

2.9.3.2 Ações variáveis 49

2.9.4 Flexão normal simples e dimensionamento de seções

retangulares 50

2.9.4.1 Hipóteses básicas do dimensionamento 50

2.9.4.2 Diagramas tensão x deformação dos materiais 50

(8)

x

2.9.5.2 Estádio II 51

2.9.5.3 Estádio III 52

3 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS 53

3.1 Caracterização física do bambu 54

3.1.1 Ensaios de Microscopia 55

3.1.2 Variação dimensional, volumétrica, seção transversal e de

densidade aparente. 56

3.2 Caracterização mecânica do bambu 58

3.2.1 Compressão axial e tração por compressão diametral de

colmos de bambu 58

3.2.2 Compressão axial 60

3.2.3 Ensaio de flexão estática de taliscas de bambu 61

3.2.4 Tração paralela às fibras do bambu 64

3.2.5 Ensaio de pull-out ou arrancamento 67

4 RESULTADOS DA CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS 72

4.1 Microscopia 72

4.2 Absorção de umidade 73

4.3 Variação dimensional, volumétrica e da seção transversal do bambu 74

4.4 Variação da densidade aparente do bambu 77

4.5 Ensaio de tração e flexão de taliscas de bambu 78

4.6 Ensaio de compressão axial e diametral 81

4.7 Ensaio de pull-out ou arrancamento 83

5 PROGRAMA EXPERIMENTAL DAS VIGAS 85

5.1 Dimensionamento na flexão normal simples de vigas em concreto

armadas com bambu 85

5.1.1 Hipóteses consideradas para o dimensionamento 85

5.2 Especificações geométricas das vigas 87

5.3 Cálculo teórico das vigas 88

5.3.1 Viga 1 89

(9)

xi

5.3.5 Viga 5 102

5.3.6 Viga 6 104

5.4 Instrumentação das vigas 107

5.5 Posicionamento das cargas nos ensaios de flexão normal simples 109

6 CONFECÇÃO E ENSAIOS DAS VIGAS 111

6.1 Confecção da armadura das vigas. 111

6.2 Ensaio de flexão normal. 117

7 RESULTADOS DOS ENSAIOS DAS VIGAS 120

7.1 Caracterização física e mecânica do concreto das vigas 120

7.2 Resultados dos ensaios das vigas. 122

7.2.1 Cálculo teórico das vigas concretadas 122

7.2.2 Resultados dos ensaios de flexão simples das vigas

concretadas. 124

7.2.3 Resultados dos ensaios: Estados limite ultimo 136

7.2.4 Resultados dos ensaios: Estados limite de utilização 138

7.2.4.1 Deslocamento vertical máximo 138

7.3 Evolução das fissuras das vigas ensaiadas. 139

8 ANÁLISE DOS RESULTADOS 143

8.1 Análise dos resultados dos ensaios de caracterização 143

8.2 Análise dos resultados dos ensaios das vigas 145

(10)

xii

8.2.3 Estado limite de utilização: deslocamento vertical máximo 157 8.3 Dimensionamento de vigas de concreto armadas com taliscas de

bambu 165

9 CONCLUSÕES 166

9.1 Recomendações 167

(11)

xiii

Tabela 1 Comparação da energia gasta em MJ para produzir 1 m por

unidade de tensão. 4

Tabela 2 Comparação da produção anual de bambu e de madeira (t/ha) 4

Tabela 3 Ensaios de caracterização de bambu. 9

Tabela 4 Ensaios de caracterização mecânica de colmos de bambu. 15

Tabela 5 Propriedades mecânicas de três espécies de bambu. 17

Tabela 6 Relação entre a resistência à tração e peso específico. 17

Tabela 7 Valores de cálculo das tensões de aderência para reforço em aço

para resistência de 25 MPa. 24

Tabela 8 Média das tensões de aderência dos corpos-de-prova de pull-out. 26 Tabela 9 Tensões de aderência entre bambu e concreto experimentais e

teóricas (MPa). 28

Tabela 10 Propriedades mecânicas de algumas madeiras e bambu. 31

Tabela 11 Características do bambu utilizado nas vigas 36

Tabela 12 Resultados dos ensaios à flexão das vigas. 37

Tabela 13 Resultados dos carregamentos nos painéis de diferentes métodos

construtivos. 38

Tabela 14 Características das vigas. 43

Tabela 15 Resultados dos ensaios de Módulos de Elasticidade à tração e à

flexão em taliscas de bambu 81

Tabela 16 Resultados dos ensaios de compressão axial 82

Tabela 17 Resultados dos ensaios de compressão diametral dos colmos de

bambu 83

Tabela 18 Resultados dos ensaios de pull-out ou arrancamento 84

Tabela 19 Resultados dos ensaios de caracterização física dos agregados

utilizados no concreto das vigas. 120

Tabela 20 Resultados dos ensaios de caracterização mecânica do concreto das

(12)

xiv do concreto

Tabela 23 Resultados das cargas correspondentes ao deslocamento vertical

máximo e respectivas deformações do bambu e do concreto 139 Tabela 24 Resultados das cargas de ruptura das vigas e deformação do bambu

e do concreto correspondentes 145

Tabela 25 Resultados da carga última teórica e de ensaio para o alongamento

último do bambu de 2,0 ‰ e 4,75 ‰. 146

Tabela 26 Análise estatística da carga última teórica e de ensaio das vigas

devido à deformação específica do bambu de 2,0 ‰. 157

Tabela 27 Análise estatística da carga última teórica e de ensaio das vigas

devido à deformação específica do bambu de 4,75 ‰. 163

Tabela 28 Resultados da carga em serviço para carga última teórica e de

ensaio e os deslocamentos verticais correspondentes. 159

(13)

xv

Figura 2 Dimensões dos corpos-de-prova de talisca de bambu para ensaio

de tração. 12

Figura 3 Método de Cambridge. 13

Figura 4 Características do corpo-de-prova para o ensaio de compressão

diametral 16

Figura 5 Absorção de umidade em espécies de bambu 20

Figura 6 Curvas esquemáticas tensão de aderência x deslocamento e os

estágios da aderência aço-concreto. 23

Figura 7 Características dos corpos-de-prova para o ensaio de pull-out. 25 Figura 8 Ensaio de arrancamento ou pull-out: adaptado (a) e convencional

(b). 30

Figura 9 Taliscas de bambu Gigante com anéis de arame farpado. 32

Figura 10 Comparação da durabilidade do reforço de concreto com bambu

(a) e aço (b). 36

Figura 11 Curva carga x deslocamento da viga dimensionada teoricamente. 40 Figura 12 Comportamento típico momento x curvatura de vigas de concreto

armado. 42

Figura 13 Touceira de bambu no Instituto Agronômico de Campinas – IAC. 53

Figura 14 Equipamento Boucherie Modificado – FEAGRI – Unicamp. 54

Figura 15 Esquema de retirada das amostras do colmo de bambu para

ensaios de microscopia eletrônica. 56

Figura 16 Dimensões dos corpos-de-prova de bambu para ensaio de

variação dimensional 56

Figura 17 Espessura do corpo-de-prova de bambu para ensaio de variação

(14)

xvi

Figura 20 Corpos-de-prova de bambu sem nó 59

Figura 21 Ensaio de compressão axial 60

Figura 22 Ensaio de compressão diametral 60

Figura 23 Dimensões do corpo-de-prova confeccionado para o ensaio de

compressão axial 61

Figura 24 Prensa universal utilizada para o ensaio de compressão axial 61

Figura 25 Dimensões das taliscas para o ensaio de flexão. 62

Figura 26 Ensaio de flexão na talisca de bambu com a casca para cima 63 Figura 27 Ensaio de flexão na talisca de bambu com a casca para baixo 63 Figura 28 Ensaio de flexão na talisca de bambu com nó na região central 63 Figura 29 Ensaio de flexão na talisca de bambu na posição lateral (radial) 63 Figura 30 Prensa utilizada para o ensaio de flexão nas taliscas de bambu. 64

Figura 31 Corpo-de-prova para ensaio de tração paralela às fibras 65

Figura 32 Extensômetro eletrônico colocado na largura (casca) da talisca de

bambu 65

Figura 33 Extensômetro eletrônico colocado na espessura da talisca de

bambu 65

Figura 34 Extensômetros eletrônicos instalados no corpo-de-prova de

bambu 66

Figura 35 Talisca de bambu testemunho. 68

Figura 36 Talisca de bambu com nó na região central 68

Figura 37 Taliscas de bambu com furo e pinos de bambu e aço 68

Figura 38 Talisca de bambu com resina epóxi 68

Figura 39 Barra de aço lisa CA 25 68

Figura 40 Barra de aço CA 50 68

(15)

xvii

Figura 43 Ensaio de módulo de elasticidade à compressão axial 71

Figura 44 Microscopia eletrônica de amostras de bambu na direção

longitudinal 72

Figura 45 Microscopia visualizando as células de parênquima preenchidas

com amido 73

Figura 46 Absorção de umidade nas amostras de bambu com e sem

tratamento 74

Figura 47 Variação dimensional das amostras de bambu com e sem

tratamento 75

Figura 48 Variação volumétrica das amostras de bambu com e sem

tratamento 76

Figura 49 Variação da seção transversal das amostras de bambu com e sem

tratamento 77

Figura 50 Variação de densidade do bambu em relação ao tipo de tratamento

e às condições do ambiente 78

Figura 51 Ruptura no meio no ensaio de tração 79

Figura 52 Ruptura da talisca próximo da garra da prensa 79

Figura 53 Ruptura da talisca com desfibração 80

Figura 54 Amostra de colmo após ensaio de compressão axial 82

Figura 55 Tensão x deslocamento dos ensaios de pull-out ou arrancamento 84 Figura 56 Configuração do equilíbrio de forças do cálculo teórico, conforme

o Estádio II. 86

Figura 57 Resultados do ensaio de tração das taliscas de bambu. 87

Figura 58 Posicionamento da armadura longitudinal da viga 1. 88

(16)

xviii

Figura 65 _{Posicionamento dos extensômetros na armadura das vigas} ₁₀₈

Figura 66 _{Posicionamento dos extensômetros nos estribos da viga 6} ₁₀₉

Figura 67 Posicionamento do carregamento das vigas durante os ensaios de _{flexão simples} 110

Figura 68 _{Armadura de taliscas de bambu da viga 1} ₁₁₂

Figura 69 _{Armadura de taliscas de bambu da viga 2 posicionada na fôrma.} ₁₁₃

Figura 70 _{Armadura da viga 3.} ₁₁₄

Figura 71 _{Armadura da viga 4.} ₁₁₄

Figura 72 _{Extensômetros elétricos.} ₁₁₅

Figura 73 _{Extesômetros elétricos soldados e isolados.} ₁₁₅

Figura 74 _{Espaçadores posicionados entre a armadura e a fôrma.} ₁₁₆

Figura 75 _{Concretagem das vigas e dos corpos-de-prova.} ₁₁₆

Figura 76 Posicionamento da viga no pórtico para o ensaio de compressão à _flexão 117

Figura 77 Extensômetro elétrico colado à face lateral da viga. 118

Figura 78 _{Posicionamento da instrumentação de medida de deslocamento}

vertical durante o carregamento das vigas. 119

Figura 79 _{Ensaio de compressão axial para determinação do módulo de}

elasticidade do concreto. 121

Figura 80 _{Carga x deformação no meio do vão da viga 1} ₁₂₅

Figura 81 Carga x deformação no meio do vão da viga 2. ₁₂₅

Figura 82 Carga x deformação no meio do vão da viga 3. ₁₂₆

Figura 83 Carga x deformação no meio do vão da viga 4. ₁₂₆

Figura 84 _{Carga x deformação no meio do vão da viga 5.} ₁₂₇

(17)

xix

Figura 88 Carga x deformação no 1/3 do vão direito da viga 3. ₁₂₉

Figura 89 Carga x deformação no 1/3 do vão direito da viga 4. ₁₃₀

Figura 90 Carga x deformação no 1/3 do vão direito da viga 5. ₁₃₀

Figura 91 Carga x deformação no 1/3 do vão direito da viga 6. ₁₃₁

Figura 92 Carga x deformação no 1/3 do vão esquerdo da viga 1. ₁₃₂

Figura 93 Carga x deformação no 1/3 do vão esquerdo da viga 2. ₁₃₂

Figura 94 Carga x deformação no 1/3 do vão esquerdo da viga 3. ₁₃₃

Figura 95 Carga x deformação no 1/3 do vão esquerdo da viga 4. ₁₃₃

Figura 96 Carga x deformação no 1/3 do vão esquerdo da viga 5. ₁₃₄

Figura 97 Carga x deformação no 1/3 do vão esquerdo da viga 6. ₁₃₄

Figura 98 Carga x deformação dos estribos no 1/3 do vão direito da viga 6. ₁₃₅ Figura 99 Carga x deformação dos estribos no 1/3 do vão esquerdo da viga

6. 136

Figura 100 Evolução das deformações máximas de encurtamento no concreto com o

carregamento das vigas 137

Figura 101 Deslocamento vertical máximo durante o carregamento das vigas ₁₃₈ Figura 102 Panorama das fissuras da viga 1 até o deslocamento vertical de 10 mm. ₁₃₉ Figura 103 Panorama das fissuras da viga 2 até o deslocamento vertical de 10 mm. ₁₄₀ Figura 104 Panorama das fissuras da viga 3 até o deslocamento vertical de 10 mm. ₁₄₀ Figura 105 Panorama das fissuras da viga 4 até o deslocamento vertical de 10 mm. ₁₄₀ Figura 106 Panorama das fissuras da viga 5 até o deslocamento vertical de 10 mm. ₁₄₁ Figura 107 Panorama das fissuras da viga 6 até o deslocamento vertical de 10 mm. ₁₄₁

Figura 108 Panorama das fissuras após ruína das vigas. ₁₄₂

Figura 109 Resultados da carga última teórica e de ensaio x deformação da

armadura da viga 1. 149

(18)

xx

da viga 3. 153

Figura 116 Resultados da carga última teórica nos Estádios II e III e de ensaio

da viga 6. 154

Figura 117 Panorama de fissuras devido à carga última de ensaio na viga 1. ₁₅₅ Figura 118 Panorama de fissuras devido à carga última de ensaio na viga 2. ₁₅₅ Figura 119 Panorama de fissuras devido à carga última de ensaio na viga 3. ₁₅₅ Figura 120 Panorama de fissuras devido à carga última de ensaio na viga 4. ₁₅₆ Figura 121 Panorama de fissuras devido à carga última de ensaio na viga 5. ₁₅₆ Figura 122 Panorama de fissuras devido à carga última de ensaio na viga 6. ₁₅₆ Figura 123 Panorama de fissuras devido ao deslocamento vertical máximo na

viga 1. 157

Figura 124 Panorama de fissuras devido ao deslocamento vertical máximo na

viga 2. 157

viga 3. 158

viga 4. 158

viga 5. 158

viga 6. 159

Figura 129 Panorama de fissuras devido à carga em serviço de ensaio na viga

1. 160

2. 160

3. 160

4. 161

5. 161

6. 161

Figura 135 Ruptura da viga 1. ₁₆₂

Figura 136 Ruptura da viga 2. ₁₆₂

Figura 137 Ruptura da viga 3. ₁₆₃

Figura 138 Ruptura da viga 4. ₁₆₃

(19)

(20)

xxiii

Dedico este trabalho aos meus pais, Maria e Valdemir, que me ensinaram as principais virtudes para alcançar o sucesso, força de vontade e perseverança.

(21)

xxv

muito importante na minha vida, Augusto Ottoni Bueno da Silva.

Às minhas irmãs, Gislaine e Gilmara, que mesmo leigas neste assunto, valorizaram este trabalho e entenderam a importância dele para o crescimento da ciência.

Ao meu orientador, Armando Lopes Moreno Jr., que mesmo nos momentos de menor motivação, soube me passar força e ideais para continuar, sendo responsável pela minha formação de Pesquisadora desde a Iniciação Científica.

Aos meus amigos do Laboratório de Estruturas e Construção Civil, FEC-UNICAMP, Ademir, Marcelo, Luciano, Marçal e Rodolfo.

Aos meus amigos da Faculdade de Engenharia Agrícola da Unicamp.

Ao meu auxiliar na parte experimental, Alexandre, que literalmente caiu do céu para me ajudar.

Minhas amigas de todas as horas, Adriana, Flávia, Aline, Fabrícia, Cristina e Ana Paula. Enfim, a todos que de alguma forma, participaram neste trabalho, mesmo sem saber.

(22)

1

Para haver o cumprimento das exigências das entidades governamentais em relação ao meio ambiente, há um grande movimento entre os profissionais da área de construção civil para utilização de materiais de construção ecologicamente corretos ou não-convencionais. A importância e vantagens no uso destes materiais podem ser enfatizadas pelo baixo custo, poupadores de energia e não poluentes.

No Brasil, há preconceitos em relação às construções com materiais não-convencionais, como, por exemplo, o bambu. Há uma cultura que estes materiais seriam ineficientes e com baixa durabilidade.

Vários trabalhos científicos têm sido realizados para viabilizar a aplicabilidade de materiais e métodos não-convencionais, localmente disponíveis, os quais são apropriados ao país específico, mas são necessários estudos com objetivos de determinar os limites de segurança das edificações realizadas com estes materiais, a viabilidade econômica, técnicas construtivas e economia de escala para permitir que os profissionais da área façam uso destes materiais tranquilamente.

A utilização do bambu como material de construção estrutural é estudada há décadas por pesquisadores que se preocupam com o meio ambiente, havendo a preocupação de se determinar os parâmetros necessários para o dimensionamento correto e seguro de elementos estruturais compostos com bambu.

(23)

2

Para tanto, o objetivo principal deste trabalho é determinar os parâmetros necessários para satisfazer o Estado limite último e de utilização para o dimensionamento de vigas armadas com taliscas de bambu conforme a norma NBR 6118 (2003).

Para atingir este objetivo, realizaram-se vigas de concreto armadas com taliscas de bambu da espécie Dendrocalamus giganteus sem utilização de qualquer tipo de tratamento para aumentar a aderência entre o concreto e o bambu, para determinar os parâmetros inerentes especificamente ao bambu. A partir destes parâmetros foram obtidos os valores iniciais para o dimensionamento de elementos estruturais de concreto armados com bambu.

Também foi utilizada a técnica de dobrar a armadura de vigas de concreto, curvando-se as extremidades das taliscas de bambu até a superfície superior da viga.

Assim, será possível em trabalhos futuros a confecção de tabelas e ábacos, considerando questões importantes como: a seção transversal da viga, a taxa de armadura e o vão livre.

(24)

2.1 Características gerais do bambu

Segundo MITFORD (1886), citado por HIDALGO LOPEZ (1974), a origem da palavra bambu permanece um mistério para os etimologistas, como são, suas diferentes espécies, um enigma para os botânicos. Na China, homem e bambu estão interligados desde os tempos pré-históricos, o que pode ser notado pelo fato de que um dos primeiros radicais ou elementos da ideologia chinesa que existiu, foi um desenho de bambu constituído por dois talos com folhas e ramos e que se denomina CHU.

Do ponto de vista agronômico, o interesse pelo bambu está intimamente relacionado com a perenidade das touceiras e seu rápido desenvolvimento vegetativo que viabiliza o início da colheita dos colmos a partir de 2 anos de idade (dependendo da finalidade e espécie). Por ser uma espécie perene, o cultivo de bambu é perfeitamente viável em terrenos marginais com elevada declividade, possibilitando o aproveitamento econômico dessa área. Apresenta também um sistema radicular do tipo fasciculado, com rizoma (extensão dos rizomas no solo pode variar de 25 a 187 km/ha), que contribui para proteção do solo contra erosão. A velocidade média de crescimento dos colmos de bambu varia de 8 a 10 cm/dia, podendo atingir 40 cm/dia para colmos da espécie Dendrocalamus giganteus.

O bambu necessita de baixo consumo de energia para a sua produção. Na tabela 1 HIDALGO LOPES (1974), apud MITFORD (1886) faz a comparação da energia necessária para a produção de vários materiais de construção com suas tensões de compressão, utilizadas em cálculos estruturais. Percebe-se que, para o aço resistir a uma mesma tensão que o bambu, ele consome 50 vezes mais energia.

(25)

Tabela 1 - Comparação da energia gasta em MJ para produzir 1 m3 por unidade de tensão

Material Bambu Madeira Concreto Aço

MJ/ m3/MPa 30 80 240 1500

Fonte: HIDALGO LOPES (1974), apud MITFORD (1886).

Para avaliar o desempenho do bambu, podemos citar: - desempenho como material estrutural (construção civil);

- alta funcionalidade em relação ao valor agregado do bambu comparado com outros materiais (aço, cerâmica);

- praticidade na utilização do bambu, apesar de certas peculiaridades (irregularidades geométricas e ausência de ferramentas desenvolvidas especificamente para manuseio deste material).

JANSSEN (2005) realizou um estudo comparando a produção anual de bambu com a de madeira de reflorestamento (pinus) em t/ha (tabela 2). Pode-se notar que a produção de biomassa do bambu é 3 vezes superior à da madeira, sendo que também se faz necessário considerar o manejo e a espécie plantada.

Tabela 2 – Comparação da produção anual de bambu e de madeira (t/ha)

Produção anual Verde Seco Verde Seco

t/ha Total Total colmo tronco colmo tronco

Bambu 78,3 47,4 55,7 36,0

Pinus 17,5 13,5 14,0 10,8

Relação

Bambu/Pinus 4,5 3,5 4,0 3,3

Fonte: JANSSEN (2005).

Atualmente, o bambu vem sendo reconhecido como uma espécie florestal de grande valor, em decorrência de suas amplas possibilidades agronômicas e tecnológicas como matéria-prima fibrosa industrial, artesanal, e como material estrutural para pequenas construções rurais. Como matéria-prima industrial, as maiores possibilidades de utilização do bambu são para produção

(26)

conjunta de fibras celulósicas para papel e energia, esta na forma de amido granular ou como etanol, após a sacarificação do amido. A produção de broto de bambu, como alimento e a obtenção de carvão a partir dos colmos, são outras possibilidades de utilização do bambu. Vários são os produtos que se pode obter a partir do bambu, destacando-se:

• Fibras celulósicas para papel;

• Fibras celulósicas e amido ou etanol; • Broto comestível;

• Carvão;

• Painéis laminados ou compensados; • Material para construções rurais; • Tubos para condução de água.

2.2 Características biológicas, morfológicas, anatômicas e químicas

Os bambus pertencem a um grupo de gramíneas arborescentes gigantes, classificados como Bambusae, uma tribo da família das Gramínae. Pelas características de seu colmo, é considerada uma planta lenhosa, monocotiledônea, pertencente às angiospermas (HIDALGO LOPEZ, 1974).

Existem no mundo cerca de 75 gêneros e 1250 espécies de bambus, das quais 62% são nativas da Ásia, 34% das Américas e 4% da África e Oceania. A classificação e identificação botânica das espécies são muito difíceis, tendo em vista que este tipo de vegetal floresce em intervalos de tempo muito longos (30 a 100 anos), dependendo da espécie e de condições ambientais (HIDALGO LOPEZ, 1974). Devido ao clima, os bambus nativos crescem naturalmente em todos os continentes, com exceção da Europa.

As espécies de bambu mais difundidas no Brasil são Bambusa tuldoides Munro (bambu comum), Bambusa vulgaris Schrad (bambu verde), Bambusa vulgaris Schrad var. vittata (bambu imperial, amarelo), Dendrocalamus giganteus murro (bambu gigante, balde) e algumas espécies do gênero Phylllostachys sp (cana da Índia).

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Os colmos crescem de rizomas subterrâneos, sendo que a maioria das espécies são encontradas em regiões tropicais e subtropicais. O crescimento de algumas espécies pode ser medido diariamente, sendo que já foi medido o crescimento de 120,0 cm em 24 h, para espécie Madake (Phyllostachys bambusóides) na região de Kioto (UEDA,1956 citado por HIDALGO LOPES, 1974) e 37,0 cm no mesmo período, no Rio de Janeiro em 1993 (GHAVAMI, 2005).

A propagação do bambu, dependendo da espécie, pode ocorrer pelo aparecimento de flores, que ocorrem em intervalos de 30 a 120 anos e principalmente de forma assexuada, através de mudas e ramificação do rizoma. Os rizomas dos bambus são classificados em 3 grupos quanto ao hábito de crescimento:

- Leptomorfo (ou tipo Monopodial): O maior gênero do bambu Leptomorfo é o Phyllostachys. Este rizoma é usualmente de um diâmetro menor do que os dos colmos e é de forma cilíndrica ou semi-cilíndrica, de seção oca interrompida nos nós por um diafragma. Os brotos laterais dos rizomas Leptomorfos, cuja germinação produz colmos a uma distância específica, formando um único colmo. O crescimento do seu rizoma produz um sistema de malhas sob o solo, o qual previne erosões e desmoronamento em margens de rios. No bosque de Madake, por exemplo, houve uma expansão de rizomas, indo de uma extensão de comprimento total de 63 km a 187 km por hectare (GHAVAMI, 2005); - Pachymorfo (ou tipo Sympodial): Os maiores gêneros dos bambus Sympodial são:

Dendrocalmus e Bambusa. Esta espécie possui rizoma curto e grosso, de forma curvada e com uma espessura máxima usualmente maior do que a do colmo. Na parte mais alta do rizoma surgem gemas, que saem da terra, dando origem a um colmo. No próximo ano, o broto na parte basal do solo começa a fazer um segundo colmo, formando um conjunto de colmos (família ou touceira);

- Antiphodial (Metamorfo I e Metamorfo II): O termo Metamorfo é usado para este tipo de bambu porque ele não se adapta tanto ao Leptomorfo quanto ao Pachymorfo, mas é a transformação de um no outro. Arundinaria é um dos importantes gêneros do rizoma Metamorfo I e Arundinaria pusila pertencem ao rizoma Metamorfo II. O eixo do

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Metamorfo I ocupa uma posição entre a base e a ponta do colmo. Após suas formação, é intermediário entre uma base de colmo típica e um rizoma Pachymorfo. Tais eixos aparecem onde os colmos surgem dos brotos laterais de um rizoma Leptomorfo até formar touceiras. O eixo do Metamorfo II é intermediário no formato e posição entre a ponta de um rizoma de Pachymorfo ou Leptomorfo e o colmo, no qual o rizoma é transformado atipicamente: aparece onde a transformação do cume do rizoma em um colmo acontece gradualmente. Esta mudança gradual é típica sempre que um rizoma Leptomorfo é transformado atipicamente para formar um colmo.

Os colmos do bambu são praticamente cilíndricos e ocos, com dimensões variando muito dependendo da espécie, gênero, clima do local e idade (de mm até 30 cm de diâmetro e de 30 cm até 30 m de comprimento). O diâmetro do bambu decresce ao longo de seu comprimento, de baixo para cima, e é dividido em intervalos por nós, onde crescem os ramos e há diafragmas transversais internos. Estes intervalos são chamados de internós. A superfície exterior do colmo é coberta por duras e lustrosas cutículas, as quais são praticamente impermeáveis, evitando a perda de água pelo bambu.

A seção transversal de uma parede de bambu consiste das seguintes partes:

- Superfície exterior dura e lustrosa, a qual parcialmente evita a perda de água do colmo; - Células de parênquimas, onde os nutrientes são armazenados;

- Feixes vasculares contendo:

Vasos através dos quais há o movimento da água; Tubos de seiva;

Fibras de paredes grossas, que são responsáveis pela resistência do bambu, sendo que 60 a 70 % da massa do colmo correspondem às fibras. A capacidade da fibra do colmo cresce progressivamente enquanto os feixes vasculares tornam-se menores no tamanho e mais densos do interior para a superfície exterior do colmo, não sendo distribuídos uniformemente. Portanto, propiciam à parte externa maior resistência mecânica (figura 1).

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Fonte: adaptado de ROBLES AUSTRÍACO e PAMA, apud BARBOSA (1987). Figura 1 – Anatomia do bambu

Os colmos de Bambusa tuldoides apresentam maior quantidade de massa fibrosa (61,19%) que os colmos de Bambusa vulgaris (53,32%) e Dendrocalamus giganteus (46,09%), em volume (AZZINI et al., 1977).

AZZINI et al. (1977) observaram que a maior quantidade de feixes fibro-vasculares foi encontrada em colmos de Bambusa vulgaris (410 feixes/cm2) em comparação com Guadua

angustiofolia (276,6 feixes/cm2) e Dendrocalamus giganteus (256 feixes/cm2). Concluíram

também que o número de feixes vasculares por unidade de superfície na camada externa foi sempre superior ao da camada interna. Segundo AZZINI, a densidade do bambu varia de 500 a 800 kg/m3_{, dependendo da estrutura anatômica, como a quantidade e distribuição de fibras em}

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2.3 Características físico-mecânicas

Os primeiros experimentos de que se têm notícia com o bambu reforçando o concreto datam de 1917 na China, Japão e Filipinas. Segundo SALCEDO (2001), os chineses foram os primeiros a utilizar o bambu como substituto do aço no reforço de concreto de pontes ferroviárias e outras construções. Na Europa, alemães e italianos, no século passado, também já realizavam suas pesquisas. A 2a Guerra Mundial incentivou os estudos, por parte de Japão e Estados Unidos, de utilizar o bambu caso a obtenção do aço fosse dificultada.

Mas, apesar destas utilizações importantes, o bambu é um material que leva consigo certo preconceito, pois seu emprego foi realizado empiricamente, havendo poucos estudos científicos para sua caracterização. Isto pode ser justificável por ser um material natural com milhares de espécies e, portanto, com grande variabilidade em suas características físicas e mecânicas.

Portanto, para utilizar o bambu como material estrutural de modo eficiente, se faz necessário a caracterização física e mecânica das espécies mais utilizadas para fins estruturais, como Guadua angustifólia e o Dendrocalamus giganteus.

Os primeiros ensaios realizados com bambu por H. K. CHOU nos EUA (SALCEDO, 2001), e posteriormente aplicados na China (1918), foram na concretagem de pontes para linhas de trem utilizando o bambu da espécie Phyllostachys como reforço em pilares solicitados à flexão. Foram ensaiadas 220 amostras, apresentando os resultados da tabela 3.

Tabela 3 – Ensaios de caracterização do bambu

ENSAIO TENSÃO DE RUPTURA (MPa) Flexão 93,5 Tração 98,6 Compressão 38,7 Cisalhamento 8,0

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Em alguns tipos de união entre elementos de bambu é importante conhecer a resistência à tração perpendicular às fibras para prevenir falhas de esforços de tensão perpendiculares às mesmas. Para tanto, PUENTES e TAM (2006) realizaram ensaios em aproximadamente 400 amostras de bambu da espécie Guadua Angustifólia com e sem nós, os colmos foram coletados em três regiões da Colômbia, e apresentavam idades de 4 e 6 anos. Com os resultados, os autores concluíram que a região do meio do colmo apresenta maior resistência (26,5%), sendo que nas amostras com nó obtiveram-se resultados 39% superiores do que em aqueles sem nós. Apresentado também maior resistência as amostras com 4 anos de idade (29%). Entretanto, vale observar que estes resultados dependem de como foi determinada região do meio do colmo.

CRUZ et al (2006) para determinar a isotropia transversal dos colmos de bambu e obter as principais constantes elásticas (módulo de cisalhamento superficial e módulo de elasticidade circunferencial), realizaram ensaios de torção e de tração por compressão diametral. Os ensaios foram realizados nas espécies Guadua angustifólia, Metake e Moso. Utilizou-se um modelo de elementos finitos para a determinação das constantes elásticas.

Essa pesquisa apresentou resultados importantes, como a distribuição não-homogênea das fibras na parede do colmo. Portanto, há a necessidade de se determinar mais constantes elásticas necessárias para se construir modelos de elementos finitos para melhor representar sua anisotropia e detalhar seu comportamento mecânico.

O comportamento de tração x deformação do bambu foi considerado elástico linear até a ruptura (LIMA JR. et al., 2000). Assim, as tensões nas taliscas de bambu podem ser definidas com base na equação 1.

σb =Eb.εb (1) εb ≤εbr

onde:

Eb: módulo de elasticidade da talisca de bambu;

εb: deformação específica das taliscas de bambu;

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LIMA JR. et al. (2000) obtiveram que os módulos de elasticidade à tração em taliscas de bambu D. giganteus com nó e sem nó, com os respectivos desvios-padrão, foram 13 +/- 2,99 GPa e 23,75 e 3,71 GPa, respectivamente. Entretanto, observaram que o módulo de elasticidade das taliscas de bambu como armadura em vigas de concreto não é o mesmo do que o determinado em ensaio de tração direta, pois os nós e internos são posicionados de forma intercalada.

LIMA JR. et al. (1999), em ensaios de caracterização mecânica, obtiveram valores de resistência à tração para a mesma espécie de bambu com e sem nó na ordem de 97,51 MPa e 277,19 MPa e módulo de elasticidade de 13,14 GPa e 23,75 GPa, respectivamente. Com estes dados, podemos concluir que o bambu difere seus resultados dependendo do local do colmo de onde foi retirada amostra (base, meio e ponta). Mas, independente da posição, o comportamento é praticamente linear até a ruptura.

A resistência à tração é maior na parte externa do colmo, isto é, na região da casca, atingindo uma tensão de 210 MPa a 250 MPa. Já na parte interna, onde ocorre maior concentração de células de parênquima, a tensão à tração encontra-se entre 150 e 200 MPa (LOPES, 1974).

O mesmo autor ensaiou corpos-de-prova de bambu Dendrocalamus giganteus, com e sem nó, para determinar a resistência à compressão axial, obtendo valores médios de 35 MPa e 38 MPa, respectivamente.

Devido ao grande número de espécies de bambu, as suas propriedades mecânicas apresentam variabilidades entre as espécies, dependendo também das dimensões da amostra, local que foi retirada do colmo e como foi confeccionada (retirada da parte interna da parede do colmo). Outros fatores como a idade e a umidade, podem afetar a resistência. A umidade no colmo é de 15 a 20 % para espécies de 4 a 6 anos de idade.

Na literatura, encontram-se valores diferentes em relação às características físicas e mecânicas do bambu. Esta divergência se dá, principalmente, pela ausência de normas para a realização dos ensaios, sendo aplicadas metodologias de ensaios diferentes para a determinação da mesma característica.

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FERREIRA (2002) realizou ensaios de caracterização na espécie de bambu Gigante (D. giganteus) e obteve dados similares aos citados na literatura, em relação ao ensaio de compressão (77,8 MPa). Os ensaios foram efetuados em corpos-de-prova de 1 cm x 2 cm de seção transversal e de comprimento 6 cm.

Nos ensaios realizados por GHAVAMI (2005), adotando as dimensões dispostas na figura 2, foi determinada a resistência à tração do bambu Gigante, obtendo-se até 370 MPa. Com estes resultados pode-se obter a relação entre a resistência à tração do bambu e sua densidade, verificando-se um resultado 6 vezes superior àquele obtido para o aço.

Fonte: adaptado de GHAVAMI (2005)

Figura 2: Dimensões dos corpos-de-prova de talisca de bambu para ensaio de tração

Também pode-se estudar as vantagens estruturais do bambu utilizando a relação entre a massa aparente e o módulo de elasticidade dos materiais através, do Método da Universidade de Cambridge (figura 3).

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Fonte: adaptado de GHAVAMI (2005)

Figura 3 – Método de Cambridge. Na figura 3, a linha maior representa a equação 2.

ρ 2 / 1 E C = (2) onde: E: Módulo de Elasticidade ρ: densidade do bambu

Os materiais com comportamento melhor que o do bambu podem ser observados acima da linha e os piores, abaixo da linha. Portanto, observando esta figura, pode-se notar que somente as madeiras da palmeira e da balsa são iguais ao bambu. Já o aço, concreto e o alumínio encontram-se abaixo da linha.

E1/2_{/ρ = C para}

o bambu

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GHAVAMI (2005), para determinar o Módulo de elasticidade do bambu, considerou as taliscas de bambu compostas por duas partes: uma composta das fibras longas e dispostas em uma direção apenas (uniformemente distribuídas) e outra, composta pelo restante de material que envolve as fibras, chamando esta parte de matriz, considerando que ambas estão unidas por uma perfeita aderência. A equação 4, baseada na teoria dos compósitos, foi utilizada para determinar o Módulo de Elasticidade do bambu.

Ec =EfVf +Em(1−Vf) (3) onde:

Ef e Em = módulos de elasticidade específico das fibras e da matriz, respectivamente;

Vf e Vm = (1-Vf) = fração volumétrica das fibras e da matriz, respectivamente.

A variação do volume de fibras foi determinada através de um software para digitalização de imagem (DIP). Para isto, foram selecionados colmos de várias espécies de bambu e, para cada colmo, foram coletadas 3 amostras (base, meio e ponta). Através destas amostras, GHAVAMI (2005) observou que a distribuição das fibras é mais uniforme na base do que no meio e ponta. Isto pode ser explicado devido à tensão a que o bambu é submetido, na região da base do colmo, provocada pelo vento, e pelo peso próprio. Entretanto esta diferença não é significativa.

GHAVAMI (1995) recomendou o uso do bambu como um material alternativo, substituindo o aço, como reforço em peças de concreto. Para o autor, as melhores espécies para este fim são Bambusa vulgaris e Dendrocalamus giganteus. Ensaios realizados por K. DATTA (1935), citado por SALCEDO (2001), determinou que peças de concreto reforçadas com bambu e submetidas à compressão podem oferecer maior resistência, pois o bambu apresentou essa propriedade superior à do concreto. Entretanto, uma peça de concreto armada com bambu é mais flexível. O bambu também pode ser utilizado como reforço na zona de tração de vigas de concreto, mas devido ao módulo de elasticidade do bambu ser menor do que o do aço, a área de armadura de bambu deve ser maior do que a do aço. Na tabela 4 estão descritos os resultados realizados por Datta (1935), citado por SALCEDO (2001).

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Tabela 4 – Ensaios de caracterização mecânica de colmos de bambu

ENSAIO TENSÃO

(GPa) OBSERVAÇÕES

Módulo de elasticidade à

compressão 18,9 a 19,9 Valor aproximado ao do concreto

Resistência à compressão

0,79 a 0,86

Valores superiores aos do concreto (colmos com 30 cm de comprimento e 3 cm de diâmetro. Módulo de elasticidade à tração 17,0 a 18,0

Resistência à tração 0,16 a 0,21

Módulo de elasticidade à flexão 17,0 a 22,0 Resistência à flexão

0,18 a 0,76

Colmos de bambu com diâmetro externo entre 7 e 8 cm e uma distância entre os apoios de 25

vezes o diâmetro. Dados obtidos por K. Datta (Stuttgart, Alemanha, 1935), citado por SALCEDO (2001).

GHAVAMI et al (2006) estão realizando estudos experimentais para a determinação do módulo de elasticidade do bambu, considerando-o como uma constante elástica, segundo a ISO/DIS 22157 (2001).

Segundo TARGA e BALLARIN (1990), na determinação do Módulo de Elasticidade de um colmo maduro, seco ao ar livre, apresentou valores entre 12,5 e 19,5 GPa e valor médio de 16,0 GPa. Para algumas espécies secas em estufas, o valor pode atingir até 22,5 GPa. Já os colmos verdes geralmente atingem valores de até 10,0 GPa. Estes valores fazem com que o uso do bambu seja atrativo, especialmente se a relação entre a resistência à tração e o peso específico do bambu for considerado.

Entretanto, a resistência à compressão é muito menor do que a resistência à tração, situando-se entre 31 MPa e 72 MPa. Geralmente a resistência aumenta com a maturidade do colmo. Experiências conduzidas por TARGA e BALLARIN com o bambu Dendrocalamus strictus mostraram aumentos significativos da resistência à compressão dos 6 meses aos 2,5 anos de idade (a Tensão de Ruptura, o Módulo de Elasticidade e a Resistência à Compressão cresceram respectivamente 79%, 38% e 76%). Normalmente, depois da idade de 5 anos de idade o acréscimo de resistência do bambu não é significativo.

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Através do ensaio de compressão diametral (Figura 4), LIMA Jr. et al. (1999) determinaram a resistência à tração paralela às fibras e o módulo de elasticidade transversal do bambu Gigante, sendo, respectivamente de 20,53 MPa e 2,17 GPa. Os autores utilizaram a Teoria de Vigas em Arco para calcular a tensão máxima e o módulo de elasticidade transversal do bambu e concluíram, através de ensaios realizados anteriormente com outras espécies, que esta propriedade mecânica transversal do bambu é semelhante na maioria das espécies. Isto acontece porque as células de parênquima apresentam características mecânicas semelhantes nas diversas espécies de bambu. Os resultados experimentais demonstram que o bambu pode ser utilizado como reforço em lajes de concreto.

Fonte: LIMA JR. et al (1999)

Figura 4 – Características do corpo-de-prova para o ensaio de compressão diametral.

SARTORI e CARDOSO JR. (1998) apresentaram dados de tração, compressão, flexão e cisalhamento, obtidos para três espécies (tabela 5).

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Tabela 5 : Propriedades mecânicas de três espécies de bambu. Espécie Tração (MPa) Compressão (MPa) Flexão (MPa) Cisalhamento (MPa)

B. vulgaris var. vittata 0,12 38,9 0,11 38,8

B. vulgaris 0,17 51,6 0,14 40,4

D. giganteus 0,14 64,8 0,13 45,0

Fonte: SARTORI e CARDOSO JR. (1998).

GHAVAMI (1992), estudando a relação entre a resistência à tração paralela às fibras e o peso específico para alguns materiais (tabela 6), constatou que o bambu é o material que apresenta o maior valor para esta relação, o que torna vantajosa a sua utilização como material de construção.

Tabela 6 : Relação entre a resistência à tração e peso específico

Material Resistência à Tração paralela às fibras σσσσt (MPa) Peso específico γγγγ (g/cm3₎ R = σσσσt/ γγγγ.10-2 Aço ( CA 50A) 50,0 7,83 0,63 Bambu 14,0 0,80 1,75 Alumínio 30,4 2,70 1,13 Ferro fundido 28,1 7,20 0,39 Fonte: GHAVAMI (1992).

2.4 Variação dimensional do bambu e aderência entre o bambu e o concreto

SOBRINHO JR. et al (2006) utilizou modelos de interface baseados na mecânica do dano para estudar a aderência entre o bambu e o concreto. O primeiro modelo foi utilizado por VLASIE et al em 2005, segundo SOBRINHO JR. et al (2006), na colagem de alumínio e epóxi, prevendo um comportamento do tipo exponencial para a interface adesiva. Esse modelo já foi implementado no software de elementos finitos CAST3M por BARROS em 2005 (apud

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SOBRINHO JR. et al, 2006), e a identificação dos parâmetros da interface foi feita através de ensaios clássicos da mecânica da ruptura.

No estudo da degradação da colagem, utiliza-se a variação da rigidez elástica da camada de adesivo como indicador do dano (KACHANOV e RABOTNOV, 1958 e 1968, citado por SOBRINHO JR. et al, 2006). A utilização de um indicador desse tipo foi desenvolvida por MAZARS e PIFAUDIER (1989, citado por SOBRINHO JR. et al, 2006) para o estudo do concreto.

No caso da ligação entre concreto e o bambu a interface pode ser vista como sendo uma zona de espessura desprezível responsável pela adesão. Para descrever a evolução da rigidez elástica da interface introduz-se as variáveis de dano d (equação 4):

) 1 ( 0 i i i k d k = − (4) Onde: i = 1,23; k0

i = valores de rigidez da interface não danificada;

0 d 1

A relação de comportamento da interface se escreve na base ortotrópica e a energia superficial da interface danificada Ed se escreve:

− + − + − = + ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 2 1 1 0 1 2 32 2 0 1 2 31 3 0 3 2 33 d k d k d k Ed σ σ σ (5) onde: 33 32 31,σ ,σ

σ são as tensões na interface; 2

33 +

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O modelo CHAMPANEY-VALOROSO (2004), citado por SOBRINHO JR. et al (2006) é aquele que permite englobar uma gama maior de comportamento da interface. SOBRINHO et al, utilizou três tipos de corpos-de-prova para o ensaio de pull-out:

- Tipo 1: bambu tratado com óleo diesel para proteção contra o ataque de insetos; - Tipo 2: bambu tratado com óleo diesel e pincelado com adesivo (resina sintética);

- Tipo 3: bambu tratado com óleo diesel, lixado e pincelado com adesivo (resina sintética); Com os resultados obtidos nos ensaios pôde-se concluir que esse modelo seja capaz de representar o comportamento da interface bambu-concreto, sendo um tratamento na superfície do bambu comprova a necessidade de ajuste dos parâmetros do modelo para cada tipo de tratamento. Havendo a necessidade de mais ensaios para obtenção dos parâmetros necessários à utilização dos modelos na representação do comportamento da interface bambu-concreto com o objetivo final de validar uma ferramenta numérica que possa ser usada no projeto de estruturas de bambu-concreto.

Um dos problemas principais do bambu quando ele é utilizado como reforço em elementos de concreto é a absorção de umidade. A capacidade do bambu em absorver umidade foi estudada por GHAVAMI (2005) em várias espécies (figura 5). Pode-se verificar que as espécies Dendrocalamus giganteus e Bambusa vulgaris schard foram as que menos absorveram umidade, pois a variação dimensional da seção transversal destas espécies foi de 6% depois de 7 dias de imersão em água.

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Fonte: GHAVAMI (2005)

Figura 5 – Absorção de umidade em espécies de bambu.

Mas, em contrapartida, a necessidade de impermeabilização do bambu pode comprometer a sua utilização como reforço em peças de concreto, pois a aderência entre o bambu e o concreto fica comprometida. Portanto, deve-se definir antes o tipo de tratamento impermeabilizante que será aplicado na superfície do bambu quando o mesmo for utilizado como armadura em elementos de concreto, devido a propriedade de aderência da substância aplicada no bambu com o concreto e a rugosidade da interface produto-concreto.

Variações dimensionais podem ocorrer no bambu devido à rápida absorção e liberação da água. Por ser um material higroscópico, quando em contato com o meio aquoso, o bambu varia de dimensões, devido ao afastamento de suas células.

Segundo RAJ (1991), o bambu pode diminuir aproximadamente 12% do seu diâmetro e 16% da sua espessura aos seis meses de idade. Entretanto, este bambu na idade adulta reduz esta característica entre 4 e 7% (diâmetro) e entre 3 e 7% (espessura da parede do colmo).

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A citada variação dimensional é uma das principais desvantagens do bambu quando utilizado como reforço no concreto. RAJ (1991) afirmou ainda que a umidade do bambu estabiliza com o ambiente entre 12 e 20%, pois colmos de bambu da espécie Dendrocalamus strictus com 2,5 anos de idade absorveram entre 51% e 55% de água depois de 4 dias de imersão e entre 57% e 64% depois de 7 dias de imersão.

RAJ (1991) realizou vários tratamentos de impermeabilização visando minimizar a absorção de água pelo bambu. Alguns tipos de tratamentos utilizados foram:

- camada de óleo;

- camada de verniz e grafite branco;

- camada com uma mistura de betume e querosene na relação 4:1 (em massa); - infiltração com uma mistura de óleo e aguarrás na relação 1:1 (em massa); - imersão em material betuminoso aquecido.

Os resultados destes tratamentos mostraram que o mergulho das taliscas em material betuminoso aquecido apresentou melhor resultado, sendo 45 e 9%, respectivamente, a porcentagem de absorção de umidade para as taliscas sem tratamento e com tratamento.

GHAVAMI (1995) pesquisou vários produtos e métodos de tratamento da superfície do bambu. Os que apresentaram melhores resultados foram:

- Tinta asfáltica dispersa em água, fabricada pela Sika S.A (A);

- Adesivo estrutural à base de resina epóxi, fabricado pela Sika S.A (B).

A espécie de bambu Gigante imerso durante 96 horas em água (após ter sido tratado com o produto B), apresentou uma taxa de absorção de apenas 4%.

Entretanto, além de impermeabilizar o bambu, torna-se necessário aumentar ou pelo menos manter a aderência entre o bambu e o concreto. CZARNIESKI et al (2004) verificaram que grande parte dos pesquisadores que desenvolveram pesquisas para solucionar o problema de absorção de umidade, relataram problemas posteriores em relação à aderência. Através de ensaios

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de arrancamento, os autores verificaram que a tensão de aderência de dimensionamento entre o bambu e o concreto é cerca de 20% inferior àquela entre o aço liso e o concreto.

Segundo LEONHARDT (1977), a principal característica do concreto armado é a aderência concreto-armadura, sendo a mesma responsável pela transferência de forças entre o concreto e a armadura quando há fissuração do concreto, aumentando a resistência de um elemento de concreto armado.

CZARNIESKI et al (2004) afirmou que, segundo a norma FIB (1999), o mecanismo de aderência concreto-armadura é composto por três parcelas: aderência por adesão, aderência por atrito e aderência mecânica. Quando o mecanismo de aderência é ativado, desenvolve-se inicialmente a aderência por adesão (estágio 1), que consiste de ligações físico-químicas produzidas na interface concreto-armadura durante as reações de hidratação do cimento. Mas este estágio tem pouca influência, pois as ligações físico-químicas são frágeis, sendo destruídas, devido a deslocamentos relativos pequenos. Após a ruptura da aderência por adesão, ocorre a ativação da aderência por atrito (estágio 2), que é caracterizada por forças de atrito entre o concreto e a armadura. O valor desta parcela está diretamente relacionado ao coeficiente de atrito entre as superfícies e a força de compressão perpendicular ao plano de contato, que é proveniente da retração do concreto, da irregularidade do plano de deslizamento e do efeito cunha das partículas de concreto. Entretanto, a aderência mecânica é ativada apenas quando a armadura apresenta nervuras em torno de sua superfície (estágio 3). Esta parcela é a mais efetiva e consiste do engrenamento mecânico entre as nervuras e o concreto. Estes estágios podem ser observados na figura 6.

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Fonte: adaptado de LEONHARDT (1977)

Figura 6 – Curvas esquemáticas de tensão de aderência x deslocamento e os estágios da aderência aço-concreto.

Portanto, considerando a norma FIB (1999) e os resultados de ensaios de pesquisadores deste material, pode-se concluir que devido ao fato de o bambu ser um material higroscópico, ele absorve parte da água de amassamento do concreto e aumenta assim suas dimensões, voltando às suas dimensões originais após o endurecimento do concreto. Este fato compromete a aderência por adesão e por atrito entre o bambu e o concreto. Já a superfície lisa do bambu torna a parcela da aderência mecânica entre os dois materiais praticamente desprezível.

Para determinar a resistência de aderência entre o bambu e o concreto são realizados ensaios de arrancamento ou “pull-out” em taliscas de bambu imersas em um bloco de concreto.

Segundo o RILEN-FIP-CEB (1973), as tensões de aderência devem ser avaliadas por meio de um valor médio calculado através da equação (6):

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b arr bm _u _l F ⋅ = τ (6) onde:

- τbm: tensão de aderência média entre as taliscas de bambu e o concreto;

- Farr é a força necessária para arrancar a talisca de bambu do interior do concreto

endurecido;

- u é o perímetro de contato entre o bambu e o concreto;

- lb é o comprimento de ancoragem da talisca em contato com o concreto.

A mesma norma sugere também que a força de arrancamento (Farr) seja definida como a

força correspondente ao deslocamento de 0,1 mm, LEONHARDT (1977) indicou um coeficiente de segurança de 3 para o cálculo da tensão de aderência para armadura constituída por barras de aço. O EUROCODE (1992) também estabelece um coeficiente de 2,15 para o cálculo da tensão de aderência de cálculo a partir da tensão de aderência característica. As tensões de aderência de cálculo para barras de aço, segundo a norma NBR 6118 (2003) e alguns códigos internacionais, estão na tabela 7 compilada por CZARNIESKI et al (2004).

Tabela 7 – Valores de cálculo das tensões de aderência para reforço em aço para resistência de 25 MPa Tensão de aderência para barra lisa Tensão de aderência para barra nervurada Norma (MPa) (MPa) Eurocode (1992) 0,84 1,89 NBR 6118 (2003) 1,28 2,88 FIB (1973) 1,24 2,78 Fonte: LIMA JR. (2004)

CZARNIESKI et al (2004) realizou ensaios de “pull-out” ou arrancamento em taliscas com seção transversal de 2,2 x 1,3 cm (largura x espessura), que foram posicionadas no centro de corpos-de-prova de concreto com 15 cm de diâmetro e 30 cm de altura e resistência à compressão de 25 MPa. Para aumentar a aderência entre o concreto e o bambu foram utilizados pinos de concreto, de aço e de bambu, sendo que as taliscas foram perfuradas para serem colocados 1 e 2 pinos (figura 7). A aderência entre o concreto e o bambu foi mantida apenas na parte central do

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cilindro de concreto do corpo-de-prova; nos 20 cm restantes foi passado graxa e foram colocadas camadas de papel para impedir qualquer tipo de aderência.

Fonte: adaptado de CZARNIESKI et al (2004)

Figura 7 – Características dos corpos-de-prova para o ensaio de pull-out.

Na tabela 8 pode-se observar os resultados dos ensaios, onde os tipos de tratamentos foram os seguintes:

- SPCA: talisca de bambu sem pinos e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 1PASA: talisca de bambu com 1 pino de aço e sem aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

(47)

- 1PBSA: talisca de bambu com 1 pino de bambu e sem aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 1PBCA: talisca de bambu com 1 pino de bambu e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 2PBCA: talisca de bambu com 2 pinos de bambu e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 1PACA: talisca de bambu com 1 pino de aço e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 2PACA: talisca de bambu com 2 pinos de aço e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 2PCCA: talisca de bambu com 2 pinos de concreto e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm).

Tabela 8 – Média das tensões de aderência dos corpos-de-prova de pull-out

Tipo Tensão média

(MPa)

OBSERVAÇÕES

SPCA 1,41 Sem pinos e com aderência

1PASA 0,96 1 pino de aço e sem aderência

1PBSA 0,85 1 pino de bambu e sem aderência

1PCSA 0,45 1 pino de concreto e sem aderência

1PACA 1,57 1 pino de aço e com aderência

1PBCA 1,31 1 pino de bambu e com aderência

1PCCA 0,96 1 pino concreto e com aderência

2PACA 2,43 2 pinos de aço e com aderência

2PBCA 2,03 2 pinos de bambu e com aderência

2PCCA 1,04 2 pinos de concreto e com aderência

Fonte: CZARNIESKI et al (2004)

Os resultados foram analisados através das curvas tensão de aderência x deslocamento relativo entre o bambu e o concreto, verificando-se que, inicialmente, ocorre um trecho vertical que caracteriza a parcela de aderência por adesão (estágio 1). Logo em seguida, ocorre um pequeno pico de tensão e tem-se o início da aderência por atrito (estágio 2). Entretanto, a

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introdução dos pinos reduz drasticamente a área da seção transversal resistente das taliscas de bambu em aproximadamente 40%.

Portanto, este tipo de tratamento aumenta a resistência de aderência pontual, mas quando utilizado em vigas de concreto, estes furos realizado para fixação dos pinos (aço, concreto e bambu) podem provocar regiões de ruptura por cisalhamento ao longo da armadura de bambu.

MESQUITA et al (2006), dando continuidade à pesquisa de CZARNIESKI et al (2004), também estudaram a aderência do bambu ao concreto através da colocação de pinos de aço, bambu e concreto nas taliscas, variando a resistência à compressão do concreto (15 MPa, 25 MPa e 35 MPa) e a largura das taliscas (10 mm, 15 mm e 20 mm). Estes autores também fizeram ensaios de aderência em barras de aço lisas e nervuradas para determinar a correlação destes com o bambu.

Na tabela 9, tem-se os resultados destes ensaios, sendo os termos definidos a seguir: - ττττbm: tensão de aderência média entre as taliscas de bambu e o concreto;

- ττττbk: tensão característica de aderência bambu-concreto;

- ττττbd: tensão de aderência de cálculo do bambu com coeficiente de segurança 2,15 (Eurocode,

1992);

- ττττad: tensão de aderência para a barra de aço lisa;

- CP1015: corpo-de-prova com talisca de 10 mm de largura e resistência do concreto igual a 15 MPa;

- 1PBSA: talisca de bambu com 1 pino de bambu e sem aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 1PBCA: talisca de bambu com 1 pino de bambu e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 2PBCA: talisca de bambu com 2 pinos de bambu e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 1PACA: talisca de bambu com 1 pino de aço e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

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- 2PACA: talisca de bambu com 2 pinos de aço e com aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- 1PASA: talisca de bambu com 1 pino de aço e sem aderência por adesão na região central da talisca (10 cm);

- F15: barra de aço nervurada em corpo-de-prova de concreto com resistência à compressão igual a 15 MPa.

Considerando-se uma probabilidade de 5% dos valores serem inferiores ao valor característico, tem-se que a tensão característica de aderência bambu-concreto pode ser calculada com base na equação 7:

n s p bm bk . − =τ τ (7) onde:

- p: coeficiente estatístico para 5% (1,645) retirado da tabela normal reduzida; - s: desvio-padrão da amostra;

- n: número de leituras.

Tabela 9 - Tensões de aderência experimentais e teóricas (MPa)

Tipo

_ττττ

_bm

_ττττ

_bk

_ττττ

_bd

_ττττ

_ad

_ττττ

_bd

_/ττττ

_ad

Taliscas sem pino

CP1015 1,27 1,17 0,54 0,55 0,99 CP1025 1,25 1,15 0,53 0,74 0,72 CP1035 1,66 1,45 0,67 0,94 0,71 CP1515 1,15 1,05 0,48 0,55 0,88 CP1525 1,30 1,23 0,57 0,74 0,76 CP1535 1,53 1,44 0,67 0,94 0,71 CP2015 1,05 0,98 0,45 0,55 0,83 CP2025 1,41 1,26 0,58 0,74 0,78 CP2035 1,50 1,38 0,64 0,94 0,68

(50)

Taliscas com pino 1PACA 1,57 1,45 0,67 0,80 1PBCA 1,31 1,25 0,58 0,69 1PASA 0,96 0,88 0,41 0,49 1PBSA 0,85 0,79 0,37 0,44 2PACA 2,43 2,29 1,06 1,26 2PBCA 2,03 1,88 0,88 1,63 1,05 Barras de aço nervuradas

F15 7,71 7,16 7,16 1,07 3,09

F25 11,28 11,28 11,05 1,60 3,20

F35 13,87 13,87 13,69 2,21 2,87

Fonte: MESQUITA et al (2006).

CZARNIESKI et al (2004) e MESQUITA et al (2006) verificaram que a variação da seção transversal das taliscas não exerce influência significativa na tensão de aderência, e a mesma aumenta proporcionalmente com o aumento da resistência do concreto.

A tensão de aderência de cálculo entre o bambu e o concreto foi apenas 20% inferior à tensão de aderência entre o aço liso e o concreto.

Observou-se, para os corpos-de-prova com pinos, que o efeito da superposição das parcelas referentes à tensão de aderência mecânica gerada pelos pinos, e à tensão de aderência por adesão mais atrito, gerada pela superfície das taliscas de bambu, não é válido. A cravação de 2 pinos de aço ou 2 pinos de bambu nas taliscas elevou a tensão de aderência em 80 e 50%, respectivamente. Os valores da tensão de aderência de cálculo para esses corpos-de-prova foram superiores aos valores obtidos para o aço liso, em 26 e 5%.

A resistência de aderência entre o bambu e o concreto depende também da umidade presente no colmo. Segundo GHAVAMI (2005), o colmo verde da espécie Dendrocalamus strictus apresenta uma tensão de aderência de 0,35 MPa quando verde e 0,56 MPa quando seco.