2 Revisão Bibliográfica 2.1 Propriedades do Bambu

(1)

2.1 Propriedades do Bambu

Sendo a indústria da construção uma das mais contaminantes, o uso dos materiais não convencionais e renováveis como bambu tem um papel muito importante na sustentabilidade e ecologia do mundo atual, pois esses materiais apresentam baixo custo, alta produtividade, rápido crescimento, boa resistência mecânica (especificamente resistência à tração), e redução do consumo de energia na sua produção quando comparado com materiais convencionais. Para exemplificar, o consumo de energia na produção de bambu é cinquenta vezes menor do que o consumo de energia na produção de aço (Ghavami, 1992; Ghavami & Marinho, 2001 - 2002).

O bambu pertence à família das gramíneas. Existem aproximadamente 80 gêneros e até 1200 espécies que se encontram em climas tropicais e semitropicais na Ásia, América e África. No entanto, algumas espécies, como a

Phyllostachys pubenscens (Mosso), crescem também em clima temperado. Em

geral, o bambu cresce rapidamente, como nas espécies Dendrocalamus

giganteus ou Guadua angustifólia, chegando a uma altura de 10 a 20 m em

menos de um ano. O bambu tem a forma de um tubo ligeiramente cônico e o diâmetro exterior pode variar de 2 a 25 cm segundo a espécie (Obermann e Laude, 2004; Liese, 1999).

Ghavami e Marinho (2002) afirmam que para o uso do bambu em grande escala como material de engenharia economicamente viável e com possibilidade de industrialização, faz-se necessário um estudo científico sistemático, através dos processos de plantação, colheita, cura, tratamento e pós-tratamento, além de uma completa análise estatística das propriedades físicas, mecânicas e dinâmicas do colmo do bambu inteiro.

Em seguida será apresentado um resumo sobre as propriedades botânicas, além de detalhes da macro, meso e micro estrutura dos bambus estudados para uso nas obras de engenharia, explicam se conceitos gerais da morfologia do bambu e seu uso como material de construção, e as

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA

(2)

particularidades do bambu da espécie Phyllostachys aurea que é usado no desenvolvimento deste trabalho.

2.1.1 Botânica

O bambu pertence à família das Poaceae, da subfamília Bambusoideae,e se subdivide em duas tribos, a Bambuseae (lenhosos) e a Olyrae (herbáceos). É uma planta angiosperma e monocotiledônea, e como as árvores apresenta uma parte aérea constituída pelo colmo, folhas e ramificações (Figura 2.1a) e outra subterrânea composta pelo rizoma e raiz (Figura 2.1b). Características como cor, altura total, distância entre os nós, diâmetro externo e espessura da parede dependem da espécie, do período e da idade do corte (Londoño, 2004). Anatomicamente, a seção transversal dos colmos de bambu está constituída por 40% de fibras de celulose, principal fonte de suas propriedades mecânicas, 50% de células parenquimosas, responsáveis pela rigidez e durabilidade dos tecidos e 10% de vasos vasculares de poliusacaridos de baixa resistência, chamados de hemiceluloses (Liese, 1999). Assim, segundo Ghavami et al. (2003), a estrutura interna dos bambus pode ser considerada como um material compósito de fibras de celulose longas e alinhadas dentro de uma matriz de lignina.

(a) (b)

Figura 2.1 Botânica do bambu (a) Parte aérea (b) Raízes (Bambusa vulgaris, PUC - Rio). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA

(3)

A densidade é uma propriedade física do bambu que varia entre 500 a 1000 kg/m³, dependendo da estrutura anatômica como a quantidade e distribuição das fibras em torno dos feixes vasculares, aumentando do centro para a periferia e da base ao topo do colmo. A densidade máxima é obtida aproximadamente aos três anos dos colmos (Liese 1992; Sattar et al. 1991; Kabir et al. 1993; Espiloy 1991 apud Sattar, 1995; Pereira 2001).

2.1.2 Macro, meso e micro estrutura

A macroestrutura do bambu é definida pelas características de diâmetro, espessura, espaçamento entre nós, seu formato cilíndrico-cônico geralmente oco, onde se percebe a variação da espessura do colmo e das paredes conforme aumenta sua altura. A mesoestrutura considera a variação da densidade de fibras na espessura do colmo, diminuindo a concentração da parede externa para a interna. Já a microestrutura mostra que as fibras externas são mais circulares, menores e mais densamente distribuídas que as fibras internas que tendem à forma elíptica (Figura 2.2) (Ghavami et al., 2003).

A estrutura do bambu é constituída de forma auto-otimizada com o desenvolvimento dessas características. Esta propriedade natural é conhecida como Funcionalidade Graduada (Functionally Graded Material, FGM). Através desta característica, o bambu apresenta boa resistência frente aos esforços aos quais está sujeito na natureza, como peso próprio e flexão devido à força do vento, comportando-se como um material leve e de excepcionais características mecânicas(Culzoni, 1985; Murad, 2005; Krause, 2009).

Microscopia 50X 200μm 200μm

(a) (b)

Figura 2.2 Microestrutura de uma seção de parede do colmo de bambu (a) Bambu Dendrocalamus giganteus (b) Bambu maciço Bambusa tulda (Foto: Khosrow Ghavami).

(4)

Através da análise micro-mecânica do bambu, é possível perceber que suas fibras não são uniformemente distribuídas na espessura. No entanto, para obter as constantes de engenharia, é preciso estabelecer uma função da fração volumétrica das fibras em relação à espessura que permita assumir uma distribuição de fibras simétrica ao eixo radial x com origem na parede interna. Em seguida pode-se aplicar o conceito da regra das misturas tradicional. Assim, por exemplo, o módulo de elasticidade no eixo principal 1 (longitudinal no sentido das fibras) E1, pode ser expresso de forma simplificada pela eq. (2.1) (Ghavami

et al. 2003 – apud Rusinque, 2009):

(2.1)

Na análise macro-mecânica, o bambu é apresentado como um elemento estrutural de compósito, porém “as propriedades macroscópicas são expressas em termos de propriedades efetivas de um material homogêneo equivalente e as relações constitutivas



−



são modeladas através de valores médios de tensão e deformação obtidos experimentalmente, ao invés de considerar propriedades de fibras e matriz isoladamente” (Ghavami et al. 2003 apud Rusinque, 2009).

As propriedades macromecânicas do bambu como diâmetro, espessura e espaçamento entre nós, foram estabelecidas pelo grupo NOCMAT da PUC–Rio (Ghavami & Marinho, 2001, 2002, 2005; Ghavami & Pires, 2009) para as espécies Mosó, Matake, Guadua angustifólia, Guadua tagoara e Dendrocalamus

giganteus (Figura 2.3). Tais bambus foram plantados no Rio de Janeiro e em

São Paulo. Nestas espécies observou-se que o comprimento internodal cresce da base para o meio do colmo onde atinge o máximo valor e decresce no topo; o diâmetro externo diminui da base para o topo num comportamento quase linear, e a espessura da parede varia no mesmo colmo e entre as espécies estudadas. Destacam-se as espécies Guadua tagoara, Guadua angustifólia e Matake com a maior variação de espessura da parede, sendo Guadua tagoara a espécie com maior espessura e menor comprimento internodal e Dendrocalamus giganteus com maior diâmetro, maior altura total e maior comprimento internodal, entre as espécies estudadas. As diferenças entre as espécies estudadas ocorrem devido a fatores como origem e local de onde as amostras foram extraídas, clima, relevo, manejo do plantio, idade e teor de umidade (Ghavami & Marinho, 2002).

(5)

(a) (b)

Figura 2.3 Bambu Dendrocalamus giganteus. a) PUC-Rio. b) Jardim botânico. (Foto: Khosrow Ghavami).

2.1.3 Morfologia do bambu

A estrutura externa do bambu é formada pelos sistemas subterrâneos de rizomas, colmos, galhos e folhas. A planta pode apresentar flores ou frutos, por vez, ou dois, simultaneamente. Os colmos são formados por uma série alternada de nós e internós. Com o crescimento do bambu, cada novo internó é envolvido por uma folha caulinar protetora (bainha). Os colmos são formados por fibras, vasos e condutores de seiva, que estão gradualmente distribuídas na seção transversal, envolvidos por uma matriz denominada parênquima (Ghavami & Marinho, 2005 apud Ghavami & Côrtes, 2009). A estrutura do bambu se divide em:

Rizomas: São caules subterrâneos compostos de nó, internó e

geralmente broto e uma ou mais raízes, a partir das quais nascem os colmos para formar a sua parte aérea. O crescimento radial e longitudinal dos rizomas aumenta anualmente. Os rizomas são divididos em três grupos principais, em função da sua ramificação:

a) Paquimorfos ou Aglutinados (simpodial)

: Estas espécies são

características de trópicos. Com forma de bulbos, possuem entrenós compactos e muito curtos, como nos gêneros Bambusa, Guadua e Dendrocalamus

giganteus. O diâmetro máximo geralmente é um pouco maior do que o diâmetro

(6)

do colmo que o formou; os segmentos do rizoma são sólidos e mais largos do que longos, o pescoço é curto ou alongado, igual ou menor do que o seu próprio rizoma. Este tipo é também chamado de “determinado” porque produz um número limitado de outros eixos a partir de um eixo matriz (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2002). Eles desenvolvem-se horizontalmente sobre curtas distâncias com disseminação radial padrão de três rizomas por cada bulbo de rizoma original. Vários sistemas radiculares podem penetrar e sobrepor uns aos outros. Assim, a rede de raiz de bambu forma uma proteção eficaz contra a erosão, atrasa a drenagem e absorve a água da chuva armazenando umidade (Judziewicz et al., 1999).

b) Leptomorfos ou Alastrantes (monopodial)

: são alongados e

finos, tendo os entrenós longos e espaçados, como nas espécies Phyllostachys

e Arundinaria. Têm um diâmetro máximo não maior e, geralmente, um pouco

menor do que diâmetro dos colmos que emanam dos mesmos; os segmentos são mais longos do que largos, são cilíndricos e ocos, e o pescoço é sempre curto. É considerado indeterminado, pois o eixo principal pode se desenvolver indefinidamente e continuar a produzir outros eixos adicionais (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005). A espécie monopodial cresce horizontalmente sobre grandes distâncias, a razão de 1-6 m de comprimento. Estas espécies podem ser encontradas em regiões subtropicais com um clima temperado (Judziewicz et al, 1999).

c) Anfipoidal ou Intermediário

: Caracterizam-se por rizomas que

apresentam ramificação combinada dos dois grupos anteriores numa mesma planta, como no gênero Chusquea (Lopez, 1981 apud Cruz, 2002).

Raízes: Crescem dos nós dos rizomas sendo mais finas que eles. São

desegmentadas, não produzem folhas e nem nós. Além disso, possuem diâmetro muito pequeno e podem se ramificar. Sua função é fornecer nutrientes e a água absorvida do solo para as plantas. As raízes podem até mesmo armazenar amido, embora essa função é, na maioria das vezes, desempenhada pelo rizoma (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).

Colmos: Nascem do ápice do rizoma e consistem em um sistema de

eixos segmentados, com uma sucessão de nós, internós, galhos e folhas (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).Os colmos têm secção transversal circular e são ligeiramente cônicos axialmente a partir da base para o topo afinam-se gradualmente. Os colmos podem crescer retos e exatamente verticais, curvado ou rastejando. Algumas espécies de bambu crescem até 5

(7)

centímetros por hora, a espécie Guadua angustifólia, por exemplo, cresce até 12 centímetros por dia. Consideram-se maduros os seguintes três processos têm se desenvolvido: o crescimento máximo do seu diâmetro, a distensão dos internós e o endurecimento através da lignificação (Liese, 1995 apud Ghavami & Marinho, 2005). A descrição das partes dos colmos se apresenta a seguir:

a) Nós: Os nós fornecem os pontos de inserção onde se perdem as folhas

de bainha e se originam as ramificações. Eles ajudam a aumentar a resistência do colmo contra fendilhamento e flambagem. Dentro da estrutura de bambu são representados pelo prato sólido horizontal de feixes vasculares, conhecido como diafragma (Figura 2.4) (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).

b) Internós: A distância entre dois nós consecutivos é definida como

internó. As dimensões variam para cada espécie. Quando jovem, sua superfície é verde, depois se torna amarelada, às vezes marrom ou preta ou de cor uniforme. Eles podem ter um padrão de distribuição longitudinal de diferentes cores e larguras. São geralmente ocos, podendo ser maciços ou conter água. O diâmetro e a espessura da parede diminuem com o aumento da altura do colmo (Figura 2.4) (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).

c) Bainha: É uma folha modificada que envolve a parte basal do colmo,

protegendo contra danos mecânicos e insetos nocivos durante o seu crescimento nos primeiros anos. Quando jovem, a parte externa da bainha é coberta com pelos irritantes que possuem coloração variada, como branca, cinza, marrom ou preta. A sua face interna é lisa e brilhante (Figura 2.4) (Lopes, 2003; Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).

Figura 2.4 Partes do colmo de bambu (Dendrocalamus giganteus) (Foto: Khosrow Ghavami). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA

(8)

d) Galhos: Dos brotos dos nós nascem os galhos cobertos pelas folhas

da bainha que são as ramificações dos colmos (Figura 2.5). O colmo permanece livre de galhos por um período menor do que um ano até desenvolver sua altura máxima. A ramificação se inicia a partir do topo para baixo e, em algumas espécies, pode se estender à base do colmo. Cada broto crescendo fora do solo já contém, em miniatura, todos os nós, segmentos e diafragmas com que o colmo crescerá totalmente somente depois. Nas espécies do grupo paquimorfo, o galho origina-se no ápice do rizoma e nas espécies do grupo leptomorfo, em gemas laterais do rizoma (Ghavami & Marinho, 2002).

Figura 2.5 Galhos de bambu (Phyllostachys pubescens) (Foto: Khosrow Ghavami).

e) Folhas:

são lâminas de folhas caulinares que se tornam bem mais alongadas que as folhas caulinares dos colmos (Figura 2.6). Elas efetuam a fotossíntese através da luz solar e crescem em galhos conectadas à bainha por uma projeção de sua veia principal, em forma de uma curta haste. Quando a folha seca, começando pela ponta, esta haste quebra, e a bainha permanece conectada por mais tempo ao galho (Bambu brasileiro, 2002; Ghavami & Côrtes, 2009).

Flores, Frutos e Maturidade

: Normalmente os bambus florescem

apenas uma vez na sua vida e morrem depois de dar frutos, embora algumas espécies possam florescer anualmente sem morrer. Durante o período de

(9)

florescimento, o colmo perde as folhas, e depois novas folhas são formadas. Dependendo de cada espécie, esse processo pode levar de 3 a 4 anos ou até 120 a 160 anos.

Figura 2.6 Folhas de bambu (Dendrocalamus giganteus) (Foto: Khosrow Ghavami).

O florescimento pode ser de três tipos: anual, esporádico ou em massa. O florescimento anual ocorre nos bambus herbáceos, enquanto o florescimento esporádico e em massa ocorrem nos bambus lenhosos. No florescimento esporádico, as flores aparecem apenas em grupos particulares e em colmos isolados dentro da mesma touceira (pé da planta com raízes). Na floração em massa todos os ramos têm flores simultaneamente e podem se estender por grandes áreas. Nesse caso toda a mata floresce e ocorre a morte do colmo e do rizoma (Salgado & Azzini, 1994 apud Ghavami & Marinho, 2005). Todos os frutos de bambu são comestíveis, mas a maioria cai no chão antes do amadurecimento. Os colmos morrem e caem no chão apenas algumas semanas após a produção de flores e frutos (Bamboo as a building material, 2002).

(10)

2.1.4 Bambu como material de construção

Cresce mundialmente a preocupação pela preservação do meio ambiente, conservação de recursos naturais e o uso de materiais de construção de baixo custo, reduzido consumo de energia e gerando menor polução. Assim, os materiais não convencionais, por exemplo, as fibras vegetais, o bambu e o solo, apresentam-se como uma alternativa ecológica e viável nesses aspectos (Ghavami, 2002).

Há milhares de anos o homem tem usado o bambu em estruturas civis, utensílios domésticos, implementos agrícolas, instrumentos musicais, produtos medicinais, artesanato e alimentação (brotos). Ele é muito empregado em regiões onde é um abundante recurso natural, como na Ásia e em vários países da América Latina, por exemplo, Peru, Equador, Costa Rica e Colômbia. Na construção civil, o bambu já foi muito utilizado especialmente em casas de um e dois andares e pontes, apresentando vantagens como material de construção, como sua flexibilidade e adaptação às diversas formas, resistência mecânica e leveza (peso específico baixo), além de ser um material renovável que contribui com os projetos de sustentabilidade (Hidalgo, 2003 apud Menezes, 2004; Marquez, 2006).

Pesquisas sobre as propriedades físicas e mecânicas (Ghavami, 1997, 2001, 2002; Culzoni, 1996; Cruz, 2002; Krause, 2009; et. al.) caracterizaram alguns tipos de bambu e contribuíram para estabelecer normas para seu uso e análise. No entanto, ainda falta desenvolver modelos confiáveis para o cálculo estrutural e aprofundar pesquisas sobre seu tratamento, durabilidade e confiabilidade (Krause, 2009), assim como complementar estudos na análise estática e especialmente na análise dinâmica (Da Rosa, 2005; Tamayo, 2009), e pelo que pode se encontrar na literatura atual este é um dos primeirosestudos do comportamento dinâmico estrutural, inicialmente em modelo reduzido, e que fornecerá bases para estudos posteriores em escala real.

O rápido crescimento do bambu, de até 30 a 40 cm por dia, é de interesse global no seu desenvolvimento como material de construção em comparação com materiais convencionais, como a madeira e o aço. O bambu alcança sua maturidade e suas fibras atingem sua máxima resistência entre os três a seis anos dependendo da espécie e da plantação, sendo apropriado para a utilização em estruturas civis. Depois deste período, a resistência começa a decair e os colmos mudam lentamente a cor até secar completamente (Cruz, 2002).

(11)

“Segundo Ghavami, a resistência à tração do bambu pode chegar a 370 MPa. Isto torna atrativo o seu uso como um substituto do aço e com um custo energético por unidade de resistência muitas vezes menor, pois é de mais fácil aquisição, não necessita de máquinas para ser colhido e, pelo seu pouco peso, é de mais fácil transporte. A razão entre a resistência e seu peso específico é mais do que 6 vezes maior que aquela do aço normal, i.e., aço A36. A resistência do bambu à compressão é 30% menor do que sua própria resistência à tração, com a vantagem de que o bambu é mais flexível que o aço, sendo muito empregado na construção civil em países com ocorrência de terremotos” (Regis, 2004).

As construções de bambu precisam de uma proteção para não receber diretamente umidade nem raios do sol, além de tratamentos pelo ataque de fungos e insetos. Um problema estrutural das construções de bambu é a ruptura por cisalhamento. Para isso, uma das medidas preventivas é trabalhar com as barras em feixes para diminuir o número de execução de nós e encaixes, por outro lado, a solução encontrada por Simón Vélez foi injetar concreto no nó. Essa solução foi considerada anti-ecológica por muitos arquitetos que preferiram buscar soluções alternativas como, por exemplo, a encontrada pelos arquitetos Eduardo Aranha e Francisco Lima, de utilizar parafuso sempre o mais próximo possível de um nó do bambu com anéis de borracha para aumentar o ponto de contato entre a arruela e a superfície do bambu, o que diminui as tensões em torno dos parafusos nas uniões estruturais (Marquez, 2006).

2.1.5 Phyllostachys aurea

Esta espécie pertence à família Poacea, subfamília Bambusoidae, tribo

Bambuseae, subtribo Shibataeinae, gênero Phyllostachys e a espécie aurea. É

uma espécie nativa da China, que é encontrada também no Japão, Taiwan, América Central, América do Sul e no Brasil, onde é conhecida pelo povo como cana da Índia, vara de pescar ou bambu-jardim. Essa espécie é uma das mais conhecidas em todo o mundo e a que melhor tem se adaptado ao clima temperado, devido aos seus rizomas leptomorfos ou alastrantes. Sua altura varia em média de 4 a 12 m e seu diâmetro entre 2 e 7 cm. Seus colmos são rígidos e se apresentam verdes quando jovem ficando amarelo esverdeado com o passar do tempo (Ohrnberger, 1999). Na pesquisa de Da Rosa (2005) foram obtidos valores de massa específica de 808 Kg/m3 e coeficiente de Poisson de 0.34.

(12)

“No Brasil é uma das espécies mais utilizadas para a fabricação de móveis, varas de pescar e estruturas trançadas. Diferentemente da Ásia, aqui ela é usada em detrimento das espécies de diâmetros maiores. Sua aplicação se deve à alta resistência ao ataque de Dinoderus minutus, inseto que ataca bambus, e pelo fato de se curvar facilmente quando suas fibras são expostas ao aquecimento. Deve-se tomar cuidado com o seu cultivo, pois é uma espécie altamente invasiva” (Santanna, 2008 apud De Castro e Silva, 2005). As espécies do gênero Phyllostachys são comumente utilizadas em construção, mas é uma espécie muito pouco estudada do ponto de vista de suas propriedades físicas, mecânicas e mesoestruturais (Cruz, 2002).

No trabalho de Cruz (2002) é citado Ohrnberger (1999) com a hipótese de que “na base, os internós são menores que na parte intermediária e no topo” e segundo Santanna (2008), “a espécie Phyllostachys aurea é um dos bambus com menores dimensões, e os diâmetros externos e internos tendem a diminuir com o aumento da altura do colmo”. Porém, Ghavami& Marinho (2001-2002) e Ghavami & Côrtes (2009) desenvolveram a pesquisa em diferentes espécies determinando que o comprimento internodal é menor na parte basal, atingindo o máximo valor na parte intermédia, e na parte superior decresce novamente, como pode ser visto na Figura 2.7.

Figura 2.7 Comprimento internodal em relação aos nós ao longo do colmo do bambu inteiro (Ghavami & Marinho, 2001).

(13)

Ghavami & Marinho (2002) estabeleceram relações em função do comprimento internodal, sendo maior para as espécies Guadua angustifólia e

Dendrocalamus giganteus do que para Phyllostachys aurea e Guadua tagoara; a

espessura da parede da Guadua tagoara é superior às outras espécies estudadas; as lacunas são mais uniformes no bambu Phyllostachys aurea e mais arredondadas para a Guadua angustifólia e os menores diâmetros são apresentados pela espécie Phyllostachys aurea.

Os nós da espécie Phyllostachys apresentam menores valores de resistência à tração que os internós, porém deve-se ressaltar que algumas espécies têm valores similares nos nós e nos internós (Xavier, 2004). Estudos têm avaliado a influencia da presença do nó e da posição de onde foi extraído o bambu na caracterização de propriedades mecânicas. A Tabela 2.1 mostra os valores encontrados por Cruz (2002) das propriedades mecânicas de

Phyllostachys aurea em diferentes regiões do colmo, avaliando também a

influência da presença de nó na resistência do bambu.

Tabela 2.1 Propriedades mecânicas do Phyllostachys aurea em diferentes regiões do colmo (Cruz, 2002). Propriedades do P. Aurea Base com nó Base sem nó Mediana com nó Mediana sem nó Topo com nó Topo sem nó Média Resistência à tração (MPa) 174,7 193,1 220,3 234,8 167,1 272,4 210 Módulo de elasticidade na tração (GPa) 19 18,5 16,3 20,8 15,2 23,7 18,9 Resistência ao cisalhamento paralela às fibras (MPa) 3,1 3,9 3,4 4,6 4,1 4,6 3,9 Resistência ao cisalhamento transversal às fibras (MPa) 51 44,5 47,1 46,9 37,8 44,6 45,4 Resistência à compressão (MPa) 72,6 68,6 51,3 79,86 75,5 77 70,9 Módulo de elasticidade na compressão (GPa) 24,3 21,1 22,7 25,4 22,3 33,1 24,8

Os resultados demonstram que o bambu é mais resistente à tensão na parte média para casos com e sem nó. Em geral, a resistência à compressão

(14)

não se altera pela presença ou falta de nó, ao contrário da tração que é menor quando tem nó devido à descontinuidade das fibras longitudinais, sendo aproximadamente três vezes maior que a resistência à compressão.

Xavier (2004) fez uma pesquisa com o objetivo de “atribuir ao bambu da espécie Phyllostachys aurea condições de aplicabilidade como material de construção, na condição de tecido lenhoso e as propriedades físicas, químicas e mecânicas adequadas, preservado com compostos de baixa toxidez à base de ácido bórico e tanino de acácia negra”, usando colmos maduros do município de Seropédica – RJ. Os resultados obtidos mostram que a resistência mecânica desta espécie é bastante favorável em função dos seus elevados valores de resistência à compressão. Verificou-se também uma elevada resistência natural a insetos xilófagos da ordem Isóptera, sendo indicado o seu uso no contexto da indústria da construção civil.

2.2 Ligações em Bambu

As dificuldades para que as ligações de bambu sejam simples e eficientes, devem-se às particularidades geométricas específicas do bambu, como diâmetro, espessura, comprimento variável dos internós ao longo da altura do colmo, além da superfície externa lisa e a característica dos internós de serem ocos. Por outro lado, pelo risco de fendilhamento na direção paralela às fibras do bambu e o esmagamento da parede no caso de cargas excessivas, devem-se evitar carregamentos transversais à direção das fibras.

As ligações de peças de bambu envolvem procedimentos e limitações que dependem de diferentes fatores, especificados abaixo:

Bambus de pequeno diâmetro (inferior a 5 cm): são exemplos a Bambusa

tuldoides e várias espécies pertencentes ao gênero Phyllostachys. O

procedimento de cálculo deve incluir o dimensionamento (área da seção composta e distância entre os espaçadores), a consideração da geometria da estrutura e a ação de ventos. Devido à esbelteza desses colmos, pode ocorrer sua flambagem isolada, então os nós desempenham uma amarração transversal diminuindo a possibilidade desse efeito, embora com este tipo de estribo natural, colunas e vigas de colmos de bambus dessa categoria devem ser solidarizadas entre si por meio do uso de elementos transversais de reforço, que podem ser:

 Diafragmas do colmo: por suas características anatômicas diferenciadas em relação ao internódio, sendo sólido, mostra-se um material adequado para

(15)

suportar esforços de compressão transversal (diametral). Porém, por seu elevado teor de amido, é uma das mais atacadas pelo caruncho, e precisa de uma proteção adequada;

 Partes de colmos: podem ser utilizadas partes de colmos da mesma espécie ou de espécie de maior diâmetro. O ideal é que sejam obtidas peças contendo nós nas extremidades, para evitar que as mesmas sejam mais facilmente atacadas pelos insetos, ou que sirvam de depósito de umidade;

 Pedaços de madeira (geralmente roliça): neste caso deve-se atentar pela durabilidade, que é muito variável entre as diversas espécies de madeira;

 Latas de alumínio ou garrafas PET: embora sejam materiais extremamente lisos e, portanto, com baixa aderência à camada externa e igualmente lisa do colmo, tais materiais, geralmente descartados, mostram boas possibilidades de atuarem como elementos enrijecedores transversais das ligações. Porém, semelhantemente aos internódios do bambu, também não apresentam resistência à compressão transversal e devem ser reforçados, por exemplo, com preenchimento de areia;

 Tubo de PVC rígido: o principal problema no seu uso refere-se à dificuldade de se obter um travamento eficiente da estrutura, pois o PVC também é muito liso. No entanto, pode-se perfurá-lo para introduzir lhe pequenos elementos metálicos transversais, nos quais se efetua a amarração;

 Peças de plástico: visando padronizar a construção de uma estrutura com número significativo de peças de bambu, ou quando se deseja reproduzir o projeto em várias instalações, podem-se moldar peças com a função específica de desempenhar a função de elemento de ligação transversal;

 Peças metálicas: uma das grandes vantagens apresentadas do seu uso é a rapidez na montagem e na desmontagem das mesmas, o que as qualificam para uso em áreas de maior porte mediante a repetição de pequenos modelos. Além da possibilidade de uso de chapas metálicas nas ligações, também se destacam as peças fundidas que são especialmente dimensionadas para conectar vários colmos, de acordo com ângulos definidos em cada projeto.

Bambus de maior diâmetro: o colmo desse tipo de bambu geralmente é superdimensionado em termos de resistência aos esforços de compressão ou de flexão. Quando carregado axialmente suporta elevadas cargas, considerando os limites para evitar a flambagem. Porém, em situações onde ocorrem maiores esforços, por exemplo, em pontes que cubram longos vãos, ou em estruturas espaciais, também é necessário o uso de seções compostas. Nesses casos,

(16)

pela importância dos esforços atuantes nas estruturas, os elementos de ligações transversais devem ser projetados adequadamente, de modo a suportar as cargas transversais que poderiam provocar o esmagamento do internó do colmo ou o fendilhamento, que poderia resultar na ruptura longitudinal dos colmos. A ação individual ou coletiva desses esforços provoca a instabilidade da estrutura.

As estruturas portantes em bambu geralmente apresentam uma particularidade na forma de efetuar os encaixes das peças. Com o auxílio de ferramentas simples ou de serras-copo, os colmos são cortados de acordo com ângulos específicos para cada situação, adotando-se, geralmente, a técnica da “boca de peixe”. Essa modificação na superfície dos colmos permite que os esforços sejam distribuídos de forma homogênea ao longo da espessura da parede durante o carregamento.

Em estruturas mais simples, sujeitas a pequenas cargas, ou que visem vencer pequenos vãos, tais tipos de entalhes efetuados nos colmos mostram-se muito eficientes quando combinados com outros elementos auxiliares de ligação, tais como pinos de madeiras, arame, fitas plásticas ou fibras vegetais. No entanto, em estruturas de maior responsabilidade, os elementos de ligação devem apresentar comportamento diferenciado em relação ao bambu e, na maior parte dos casos, até mesmo superior em termos de desempenho físico-mecânico, visto que nesses pontos singulares da estrutura normalmente ocorrem os esforços de maior magnitude. Nesses casos, os elementos de ligação mais recomendados são:

 Chapas e pinos metálicos: as chapas podem ser utilizadas paralelamente às fibras do bambu, colocadas em faces opostas, em caso de emendas horizontais, ou dobradas de acordo com a inclinação da peça, em pontos singulares da estrutura.

 Peças roliças de madeira: introduzidas no colmo de bambu, de forma a poderem receber a fixação com elementos metálicos (pinos e parafusos);

 Polímeros reforçados com fibras sintéticas: o uso desses materiais mostra-se adequado principalmente para o caso da industrialização e da padronização das estruturas em bambu. Caso a aderência polímero-bambu seja deficiente, a capacidade de reforço reduz-se acentuadamente. Por meio de pequenos cortes efetuados na parte superior do colmo, a seguir resinado nessa região, que é envolta por fibras sintéticas, pode-se obter peças de mesmo diâmetro para os diferentes colmos, o que simplifica a montagem da estrutura, principalmente quando se trabalha com encaixes projetados especificamente para tal fim.

(17)

 Estruturas espaciais tensionadas: pela elevada resistência do bambu aos esforços de tração paralela às fibras comparada com os esforços de compressão, nessa mesma direção, é mais eficiente quando se combina o bambu com cabos metálicos que o submetam à tração paralela às fibras.

Inicialmente, o arquiteto Oscar Hidalgo no Manual de Construção com Bambu, e depois o NSR 2010, “Reglamento Colombiano de construcción Sismoresistente Titulo G.12.111. Uniones en Guadua” apresentam os tipos de cortes dos elementos de bambu para as ligações: corte reto, corte a boca de peixe e corte pico de flauta, como pode se observar nas Figuras 2.8 e 2.9.

1)Com orelha 2)Com duas

orelhas 3)A bisel 4)Pico de flauta

5)Boca de peixe Figura 2.8 Entalhaduras utilizadas na união de peças de bambu (Hidalgo, 2003). a) Corte reto: corte perpendicular ao eixo.

b) Corte a boca de peixe: Côncava de corte ao longo do eixo do bambu. c) Corte pico de flauta: Este corte é usado para conectar bambu que chega

a diferentes ângulos de 0 ° e 90 °, pode ser feito como uma boca de peixe inclinada ou dois cortes.

(a) (b) (c) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA

(18)

(d) (e)

Figura 2.9 – Empalmes usados na prática artesanal. (a) Bisel. (b) Pico de flauta. (c) Boca de peixe. (d) Com orelha. (e) Exemplos de aplicação. (Hidalgo, 2003).

Nas ligações do presente trabalho foi utilizado o corte a bisel nos elementos de vigas e colunas, acrescentando-se um fio de aço no meio para dar rigidez à ligação e preenchendo-se os elementos com massa Durepoxi. As ligações ficaram então como mostra a figura 2.10:

Figura 2.10 Ligação de bambu a 45° (Hidalgo, 2003).

Muitas pesquisas já foram realizadas sobre ligações de bambu, em diferentes escalas. Abaixo encontram-se resumos de cada uma destas pesquisas.

Ghavami e Moreira (1996) desenvolveram uma ligação de uma placa de alumínio com extremos de pino para fazer uma conexão nodal para vários colmos de bambu usando a espécie Dendrocalamus giganteus. O corte longitudinal da região de ligação foi preenchido usando um envoltório de fibra de sisal para reforçar o final de cada colmo. Além, estudaram o esmagamento, o fendilhamento e o cisalhamento da ligação dos pinos. Com os resultados foram fornecidas equações de desenho para esse tipo de ligação (Sharma, 2010).

Inoue et al. (2004) propõem métodos de fabricação de ligações usando bambu Madake: um pino fixado em uma lâmina de bambu cheia e um anel de aço preso com as cavidades preenchidas com gesso. Os tipos de conexões foram testados assim: o primeiro, em tensão, exibiu falhas pull-out e a maior

(19)

capacidade; o segundo falhou através de deslizamento do anel de aço e um terceiro tipo de ligação, através de reforço de aço utilizando bainhas, anéis de aço e aço de reforço interno, apresentou os mesmos resultados das duas anteriores, no entanto o seu peso aumentou significativamente (Sharma, 2010).

Guzman e Morel (2005) estudaram um tipo de reforço para o bambu de fibra de vidro reforçada com polímero (GFRP), o qual apresentou um resultado mais dúctil em ensaios de compressão paralela e perpendicular às fibras (Sharma, 2010).

Laroque (2007) estudou ligações produzidas comercialmente, tais como 1) polos pré-fabricados tampados com uma resina e conector; 2) ligações nodais que transferem as forças do membro ao nó por meio de uma vara de metal; 3) conexões esféricas que são parafusadas ao membro de bambu e rebocadas; e 4) um sistema de tubos inseridos no colmo conectados com ganchos em forma de “U” e parafusos, sendo esta ligação projetada seguindo códigos tradicionais para aço. Ligações com o centro de madeira usam uma ranhura no membro de bambu que é preenchido com uma cavilha de madeira colada e podem ser projetadas usando métodos de construção civil de madeira (Sharma, 2010).

Lamus e Takeuchi (2009) ensaiaram ligações viga-pilar de bambu Guadua

angustifólia submetidas a ensaios pseudo-estáticos de carga e descarga, e

determinaram a rigidez das ligações com as curvas M vs. θ. Também foram testados três pórticos de dois e três andares com cargas horizontais aplicadas no andar superior. A ligação estudada era composta por uma viga de dois elementos longitudinais e uma coluna de quatro colmos. Tanto a viga quanto a coluna possuíam separadores do mesmo bambu (Figura 2.11). Os pórticos ensaiados com este tipo de ligação tiveram grandes deslocamentos às cargas laterais com drifts superiores a 5% sem apresentar falhas que pudessem conduzir ao colapso. (a) (b) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA

(20)

(c)

Figura 2.11 Ligação de bambu (a) Detalhe da viga, (b) Detalhe da coluna, (c) Vista lateral da ligação. (Lamus e Takeuchi, 2009).

Marquez e Meirelles (2006) estudaram estruturas existentes no Brasil e na Costa Rica, comparando a funcionalidade das ligações segundo o tipo de obra. O Hotel do Frade e Golf Resort, construído pelo arquiteto colombiano Simón Velez e a empresa Bambu-jungle, usando bambu Dendrocalamus giganteus, tem as ligações conhecidas como “Tipo Velez” (Figura 2.12a), que consistem em colmos preenchidos com concreto nos internós e as ligações das peças feitas com barras de aço, principalmente entre os pilares e a fundação. O mesmo tipo de ligação encontra-se na estrutura do restaurante do Parque Natural Agropecuário da Costa Rica PANACA, projetado pelos arquitetos colombianos Maria Mercedes e Simón Velez, com bambu Phyllostachys pubescens. No Pavilhão da ONG sócio-ambiental IBIOSFERA, com os arquitetos Edoardo Aranha e Fransisco Lima (Figura 2.12b), usando bambu Phyllostachys

pubescens, apenas a base dos pilares é preenchida com concreto e as ligações

são feitas com parafusos posicionados o mais próximo possível de um dos nós do colmo. São utilizados também anéis de borracha para aumentar o ponto de contato entre a arruela e a superfície do bambu a fim de diminuir as tensões em torno dos parafusos nas uniões estruturais, sendo esta uma solução mais ecológica do que a proposta Tipo Velez. Nestas obras verificou-se a viabilidade do uso do bambu como material de construção devido a fatores como a flexibilidade e sua adaptação a diversas formas, além de dar ênfase a importância do processo construtivo das ligações para cumprir com sua funcionalidade estrutural. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA

(21)

(a)

(b)

Figura 2.12 Tipos de ligações de estruturas existentes. (a) Ligações tipo Simón Velez. (b) Ligações tipo Edoardo Aranha. (Marquez e Meirelles, 2006).

Sharma (2010) avaliou o desempenho de pórticos e definiu uma base para ligações apropriada para a construção indígena genuína. Um protótipo do sistema de pórtico de bambu foi construído e sujeito a um teste pushover. O pórtico plano possuía colunas de quatro colmos que tinham como base uma ligação cavilada e rebocada em um pedestal de concreto. A ligação coluna–viga superior era composta de múltiplas ligações de um único parafuso (Figura 2.13).

A)Desenho axonométrico B)Elevação lateral C)Elevação longitudinal D)Momento de encerramento e forças relacionadas E)Momento de abertura e forças relacionadas Figura 2.13 Protótipo da ligação do pórtico coluna-viga (Sharma, 2010).

O protótipo do pórtico feito com bambu Phyllostachys aurea, no Laboratório de Estruturas e Materiais LEM da PUC – Rio, foi submetido a testes

(22)

de tensão longitudinal e resistiu a esforços de até 233 MPa, com um módulo de elasticidade de 16200 MPa. O pórtico foi carregado e descarregado para obter o seu comportamento cíclico e também das ligações utilizadas.

(a) (b)

(c)

Figura 2.14 Pórtico do teste (a) Pórtico do teste, (b) Detalhe da base da coluna, (c) Montagem e instrumentação do teste (Sharma, 2010).

O teste do pórtico foi realizado para determinar o comportamento das bases de coluna e a ligação–coluna-viga. O deslocamento vertical base das colunas foi mínimo e a linha central dos colmos da coluna foi rotada em torno de um único ponto. Assim, a rigidez do pórtico foi quase exclusivamente oferecida pelas ligações de topo, cuja rigidez em grande parte resulta da forte resistência oferecida pelos membros de cabeçalho fora do plano (Sharma, 2010).

2.2.1 Influência das Ligações na Análise Dinâmica

A análise estrutural, seguindo os conceitos básicos de rigidez, é realizada relacionando-se as forças aplicadas aos deslocamentos e deformações que provocam nos elementos estruturais (De Castro e Silva, 2004). A análise dinâmica, além de fornecer informações a respeito do estado de integridade dos

(23)

elementos, possibilita as verificações dos parâmetros dinâmicos, tais como frequência natural e amortecimento, e inclui a avaliação da rigidez das estruturas que depende da rigidez das ligações (Almeida, 2010). As ligações têm uma forte influência no comportamento estático, dinâmico e de instabilidade das estruturas interligadas, o que afeta evidentemente o dimensionamento de peças como vigas, pilares e barras (Cunha et. al., 2008).

A dissipação de energia em estruturas planas sob cargas dinâmicas tem fontes principais que podem ser um comportamento histerético das ligações e a fricção entre os elementos que formam o conjunto viga-pilar. Diferentes tipos de dispositivos de dissipação de energia podem ser instalados em ligações, a fim de aumentar a capacidade de absorção de energia estrutural. Dois tipos de dissipação de energia podem se apresentar: o amortecimento histerético devido ao comportamento não-linear de ligações e o amortecimento viscoso nas ligações. Em geral, os efeitos desses amortecimentos são acoplados. Como se supõe que todos os elementos estruturais, exceto as ligações, permanecem elásticos através de toda capacidade de carga, a dissipação de energia em rótulas plásticas não pode ser observada. O amortecimento viscoso em ligações pode reduzir consideravelmente a resposta de deslocamento e forças internas do pórtico. Os aumentos de não-linearidade geométrica com as cargas gravitacionais e laterais das deflexões laterais do pórtico têm maior influência no pórtico com conexões flexíveis do que com as ligações rígidas (Sekulovic, 2002).

2.3 Análise Dinâmica das Estruturas

Na literatura sobre análise dinâmica de bambu, encontrasse o trabalho de Da Rosa (2005) feito com o objetivo de fazer um estudo experimental para levantar as propriedades dinâmicas, em particular o amortecimento estrutural de três espécies de bambu Dendrocalamus giganteus, Guadua angustifólia e

Phyllostachys aurea, sobre segmentos de seção aberta e de seção circular

fechada. Com o ensaio de vibração livre de segmentos de bambu, os valores médios obtidos do fator de amortecimento foram 1,518 %, 1,322 % e 0,989 respectivamente; e das frequências naturais obtiveram se valores para a primeira de 8 Hz, 9 Hz e 11,25 Hz e para a segunda 53,95 Hz, 69,47 Hz e 76,50 Hz respectivamente. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0912754/CA