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CRUZETAS DE POLÍMEROS RECICLADOS: CARACTERIZAÇÃO … · Gláucia Maria Dalfré CRUZETAS DE POLÍMEROS RECICLADOS: CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS, ANÁLISE NUMÉRICA E ENSAIOS DE

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Glucia Maria Dalfr

CRUZETAS DE POLMEROS RECICLADOS: CARACTERIZAO DOS MATERIAIS, ANLISE

NUMRICA E ENSAIOS DE MODELOS REDUZIDOS

Dissertao apresentada Escola

de Engenharia de So Carlos da

Universidade de So Paulo, como

parte dos requisitos para a

obteno do Ttulo de Mestre em

Engenharia de Estruturas.

Orientador: Libnio Miranda Pinheiro

So Carlos

Fevereiro de 2007

ii

iii

iv

v

DDEEDDIICCAATTRRIIAA

Aos meus queridos pais, Jos

Roberto e Ana Maria, simplesmente

por tudo.

vi

vii

AAGGRRAADDEECCIIMMEENNTTOOSS

Agradeo a Deus, luz da minha vida, minha inspirao, minha fora e meu amigo de

todas as horas. Ao Professor Libnio Miranda Pinheiro, pela excelente orientao, apoio, incentivo e,

principalmente, pela amizade e compreenso.

Aos professores Antnio Alves Dias, Carlito Calil Jnior, Benedito de Moraes Purquerio,

Carlos Alberto Fortulan, Jonas de Carvalho, Dirceu Spinelli, Jos Ricardo Tarpani, Benedito de

Souza Bueno, da EESC/USP, e ao Professor Jos Augusto Marcondes Agnelli, do

DEMa/UFSCar, que gentilmente permitiram a utilizao de seus laboratrios para a execuo dos

ensaios experimentais e, principalmente, pelas grandes e valiosas contribuies.

Ao empresrio Joo Dimas Rodrigues Martins, por ceder seu tempo, seu

conhecimento tcnico e as instalaes de sua empresa, para usufruto desta pesquisa.

Ao engenheiro Wanderley Jaime Esmael, pelo incentivo, apoio, amizade e pelas

longas conversas sobre polmeros.

Aos meus pais, que souberam compreender minha ausncia, dando sempre apoio e

compreenso, para me transformar no que sou.

A toda minha famlia, que sempre apoiou e acreditou em mim.

Ao meu namorado Cilmar, pelo amor, pacincia, dedicao, incentivo e apoio, mesmo

estando longe.

A todas as amizades conquistadas nesta etapa: Fernanda, Mariana, Marianinha, Bia,

Camila, Alice, Daniela, Tatianne, Dnis, Marlos, Saulo, Gustavo, Filipe, Luiz, Andr, Ronaldo,

Eduardo, Pedro, Jlio, Cod, Ricardo, Joo Paulo... e muitos outros amigos e amigas, pelos

momentos de alegria e apoio que, direta ou indiretamente, contriburam para este trabalho. Um

agradecimento, em especial, para Karenina, Iara e Lvia, por serem to especiais.

CAPES, pela bolsa de estudos, e FAPESP, pelo auxlio financeiro que propiciou

o desenvolvimento da pesquisa.

Aos funcionrios do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC/USP,

especialmente Rosi e Nadir, pela ateno e eficincia nos servios prestados.

Ao corpo tcnico responsvel pela execuo dos ensaios: Jaime, do LaMEM, Clver,

do Laboratrio de Geotxteis do Departamento de Geotecnia, Sr. Joo e Cassius, do

Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronutica e Automobilismo SMM: meu

agradecimento e respeito.

A todas as amigas de Limeira, em especial, Mnica, Tas, Rafaela e Marasa, pelo

apoio e incentivo que me ajudaram a chegar at aqui.

viii

ix

RREESSUUMMOO

DALFR, G. M. Cruzetas de polmeros reciclados: caracterizao dos materiais, anlise numrica

e ensaios de modelos reduzidos. Dissertao (Mestrado) - Escola de Engenharia de So Carlos,

Universidade de So Paulo, 166p., So Carlos-SP, Brasil.

Atualmente, a madeira ainda o material mais usado nas cruzetas das redes areas de

distribuio de energia eltrica no Brasil, o que vem causando problemas s companhias

distribuidoras de energia eltrica quanto a: (i) degradao devida a defeitos e a ataques de

fungos e de insetos, (ii) aumento dos custos operacionais, para a substituio das peas

danificadas e (iii) problemas ambientais, uma vez que a matria-prima est se tornando escassa

e apresenta restries ambientais. Nesse sentido, estudos vm sendo realizados visando a

substituio da madeira por outros materiais, tais como ao, concreto e materiais polimricos

reforados com fibras. Embora os materiais termoplsticos com funo estrutural sejam de uso

bastante recente, quando comparados com madeira, concreto ou metais, vrios fatores

contribuem para sua utilizao (e.g., o alto consumo energtico na produo do ao e do

cimento e a abundncia de material plstico com custo competitivo). Diante disso, este trabalho

tem por objetivo contribuir para o desenvolvimento de uma cruzeta de polmero reciclado, de

modo que ela seja comercialmente competitiva e que apresente vantagens quando comparada

com as demais cruzetas existentes no mercado, tais como peso reduzido, facilidade de

instalao e possibilidade de retorno de parte do capital investido, uma vez que, quando

danificadas, o material pode ser novamente reciclado. Para tanto, realizou-se uma anlise das

propriedades geomtricas de possveis sees transversais para as cruzetas. Uma vez

definidas as sees mais adequadas, foram feitos modelos reduzidos de cruzetas polimricas e

ensaios experimentais, cujos resultados foram validados por anlise numrica feita com o

programa ANSYS. Constatou-se que os modelos numricos desenvolvidos representaram de

forma satisfatria o comportamento verificado nos ensaios e comprovaram a viabilidade de

empregar os polmeros reciclados em cruzetas e em outros elementos estruturais. Entretanto,

com era de se esperar, ser necessrio melhorar algumas de suas caractersticas, tais como a

resistncia e a rigidez.

Palavras-chave: cruzetas, polmeros reciclados, propriedades, ensaios mecnicos, anlise

numrica.

x

xi

AABBSSTTRRAACCTT

DALFR, G. M. Recycled polymer crossarms: characterization of the materials, numerical analysis

and tests in reduced models. M. Sc. Dissertation Sao Carlos School of Engineering, University of

Sao Paulo, 166p., Sao Carlos - SP, Brazil.

Nowadays, wood is still the most used material in crossarms of aerial power distribution

lines in Brazil. However, it has caused problems to power utilities concerning (i) degradation due

to defects and attacks of fungi and insects, (II) higher operational costs to replace damaged

pieces and (III) environmental problems, as the raw material has become scarce and presented

environmental restrictions. In this sense, studies have been conducted aiming to replace wood

by other materials, such as steel, concrete and polymeric materials reinforced with short fibers.

Although thermoplastic materials with structural function have a recent use, when compared to

wood, concrete or metals, several factors contribute to their application (e.g., high energetic

consumption in the production of steel and cement and the abundance of plastic material with

competitive cost). Therefore, this work aims contribute to the development of a recycled

polymer crossarm, to be commercially competitive, with advantages over the ones existing in the

market, such as lower weight, easiness of installation and possibility of recovering part of the

invested capital, when damaged, the material can be recycled again. An analysis of the

geometric properties of possible transversal sections for the crossarms was conducted. After

defining the most adequate sections, reduced models of polymeric crossarms and experimental

tests were made. The results were validated by numerical analysis performed by ANSYS. The

numerical models developed satisfactorily represented the behavior verified in the tests, proving

the viability of using the recycled polymers in crossarms and other structural elements. However,

as expected, some of their characteristics, such as resistance and stiffness, must be improved.

Key-words: crossarms, recycled polymers, properties, mechanical tests, finite element

analysis.

xii

xiii

LLIISSTTAA DDEE FFIIGGUURRAASS

Figura 2.1 Maison Plastique 09

Figura 2.2 Monsanto House of the Future 10

Figura 2.3 Casa plstica, por Rudolf Doernach 10

Figura 2.4 Utilizao de GFRP em estrutura 11

Figura 2.5 Covent Garden Flower Market (a) e Edifcio American Express (b) 12

Figura 2.6 Estrutura produzida com perfis de FRP pultrusados 12

Figura 2.7 Ponte sobre o rio Hudson construda com plstico reforado com fibra de vidro 13

Figura 2.8 Dormentes de plstico reciclado produzidos pela Polywood 13

Figura 2.9 Residncia japonesa construda em plstico 14

Figura 2.5 Exemplos de aplicao de elementos estruturais em plsticos 14

Figura 2.11 Rede convencional de distribuio de energia 16

Figura 2.12 Rede area compacta protegida de distribuio de energia 17

Figura 2.13 Rede secundria isolada 17

Figura 2.14 Estrutura bsica para construo de sistema areo 18

Figura 3.1 Ilustrao esquemtica dos diagramas versus de um polmero com o

aumento da temperatura 23

Figura 3.2 Comportamento esquemtico da resistncia de polmeros em funo da velocidade de carregamento e da umidade

24

Figura 3.3 Ilustrao do fenmeno da deformao por fluncia 25

Figura 3.4 Alongamento em funo do tempo para diversos nveis de tenso 27

Figura 3.5 Curvas x N para alguns termoplsticos temperatura ambiente 28

Figura 3.6 Curvas x N para alguns termoplsticos temperatura ambiente 29

Figura 3.7 Equipamento utilizado para ensaio de impacto 30

Figura 3.8 Exemplos do efeito da temperatura sobre resistncia ao impacto 30

Figura 3.9 Resistividade volumtrica 33

Figura 3.10 Resistividade superficial 34

xiv

Figura 3.11 Moldagem por extruso 42

Figura 3.12 Moldagem por sopro via injeo 43

Figura 3.13 Moldagem por sopro via extruso 43

Figura 3.14 Termomoldagem 44

Figura 3.15 Moldagem por injeo 44

Figura 3.16 Calandragem 45

Figura 3.17 Pultruso 45

Figura 4.1 Cruzetas de madeira 47

Figura 4.2 Cruzeta de 2,00 metros Medidas em mm 48

Figura 4.3 Arranjo para ensaio de cruzetas de 2,00 metros e 2,40 metros Medidas em mm

50

Figura 4.4 Ensaio de cruzetas de madeira 50

Figura 4.5 Cruzeta retangular de 1900 mm Medidas em mm 51

Figura 4.6 Cruzeta retangular de 2300 mm Medidas em mm 51

Figura 4.7 Cruzeta T de 1900 mm Medidas em mm 52

Figura 4.8 Cruzeta L de 1700 mm Medidas em mm 52

Figura 4.9 Arranjos para os ensaios em cruzetas de concreto armado 53

Figura 4.10 Cruzeta metlica com comprimento de 1000 mm Medidas em mm 54

Figura 4.11 Cruzeta metlica com comprimento de 2400 mm Medidas em mm 54

Figura 4.12 Cruzeta metlica com comprimento de 3000 mm Medidas em mm 54

Figura 4.13 Arranjo para ensaio de cruzetas de 1900mm Medidas em mm 55

Figura 5.1 Tipos de sees transversais Medidas em mm 60

Figura 5.2 Momentos de inrcia 61

Figura 5.3 Massa versus custo 61

Figura 5.4 Sees transversais dos modelos reduzidos, com comprimento de (a) 600mm e (b) 800mm

65

Figura 6.1 Dimenses, em mm, dos corposdeprova de trao, compresso, flexo e impacto

69

Figura 6.2 Dimenses do corpodeprova de trao segundo a Norma ASTM D638/03 71

xv

Figura 6.3 Ensaio dos corposdeprova de trao PU 72

Figura 6.4 Ensaio dos corposdeprova de trao PEAD 72

Figura 6.5 Dimenses do corpodeprova de compresso 73

Figura 6.6 Ensaio dos corposdeprova de compresso 74

Figura 6.7 Dimenses do corpodeprova de impacto segundo a Norma ASTM 256/04 75

Figura 6.8 Fixao de corposdeprova para ensaios Izod 75

Figura 6.9 Ensaio dos corposdeprova de impacto 76

Figura 6.10 Dimenses do corpodeprova de flexo segundo a Norma ASTM D790/03 medidas em mm

77

Figura 6.11 Ensaio dos corposdeprova de flexo 78

Figura 6.12 Sees transversais para os ensaiospiloto Comprimentos de (a) 600mm e (b) 800mm

78

Figura 6.13 Configurao de ensaio para cruzetas: (a) segundo a NBR 8458:1984 e (b) adaptao para o ensaio da cruzeta polimrica

79

Figura 6.14 Ensaio de flexo nos modelos de material polimrico 80

Figura 7.1 Sees transversais sem furos de fixao 82

Figura 7.2 Sees transversais com furos de fixao 83

Figura 7.3 Elemento finito tipo SOLID45 83

Figura 7.4 Elemento finito tipo BEAM189 84

Figura 7.5 Tipos de sees prdefinidas do elemento BEAM189 84

Figura 7.6 Exemplo de modelo de comportamento de materiais valores convencionais e corrigidos: (a) PU e (b) PEAD

85

Figura 7.7 Detalhes (a) dos apoios e do dispositivo de aplicao de carga, utilizados no ensaio experimental, e da vinculao e do acoplamento de ns na anlise numrica,

para (b) Solid45 e (c) Beam189

87

Figura 7.8 Malhas para os modelos numricos Solid45 90

Figura 7.9 Malhas para os modelos numricos Beam189 90

Figura 7.10 Malhas para os modelos numricos Solid45 90

Figura 8.1 Curva mdia do ensaio de trao da amostra de poliuretano 93

Figura 8.2 Curva mdia do ensaio de trao da amostra de PEAD 94

xvi

Figura 8.3 Curva mdia do ensaio de compresso da amostra de poliuretano 95

Figura 8.4 Curva mdia do ensaio de flexo da amostra de poliuretano 96

Figura 8.5 Dispositivo utilizado no ensaio de flexo de cruzetas polimricas 98

Figura 8.6 Curva fora versus flecha do ensaio de flexo na cruzeta de seo 1 98

Figura 8.7 Configurao de ensaio para cruzetas: (a) segundo NBR 8458:1984 e (b) adaptao para o ensaio da cruzeta polimrica

99

Figura 8.8 Curva fora versus flecha do ensaio de flexo na cruzeta de seo 2 100

Figura 8.9 Curva fora versus flecha do ensaio de flexo na cruzeta de seo 3 102

Figura 8.10 Curva fora versus flecha do ensaio de flexo na cruzeta de seo 5 103

Figura 8.11 Curva fora versus flecha do ensaio de flexo na cruzeta de seo 10 104

Figura 8.12 Comparao das curvas obtidas no ensaio de flexo com o resultado numrico (Solid45) do modelo de cruzeta polimrica seo 1

106

Figura 8.13 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento seo 1 107

Figura 8.14 Comparao das curvas obtidas no ensaio de flexo com o resultado numrico (Solid45) do modelo de cruzeta polimrica seo 2

108

Figura 8.15 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento seo 2 109

Figura 8.16 Comparao das curvas obtidas no ensaio de flexo com o resultado numrico (Solid 45) do modelo de cruzeta polimrica seo 3

110

Figura 8.17 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento seo 3 111

Figura 8.18 Comparao das curvas obtidas no ensaio de flexo com o resultado numrico (Solid45) do modelo de cruzeta polimrica seo 5

110

Figura 8.19 Comparao das curvas obtidas no ensaio de flexo com o resultado numrico (Solid45) do modelo de cruzeta polimrica seo 10

112

Figura 8.20 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento seo 10 113

Figura 8.21 Curvas obtidas na anlise numrica, com o elemento finito Solid45, do modelo de cruzeta polimrica seo 4

114

Figura 8.22 Flecha mxima (a) e tenses de Von Mises (b) para carga de 280N seo 4

114

Figura 8.23 Curvas obtidas na anlise numrica, com o elemento finito Solid45, do modelo de cruzeta polimrica seo 6

115

Figura 8.24 Flecha mxima (a) e tenses de Von Mises (b) para carga de 270N seo 6 115

xvii

Figura 8.25 Curvas obtidas na anlise numrica, com o elemento finito Solid45, do modelo de cruzeta polimrica seo 7

116

Figura 8.26 Flecha mxima (a) e tenses de Von Mises (b) para carga de 100N seo 7

116

Figura 8.27 Curvas obtidas na anlise numrica, com o elemento finito Solid45, do modelo de cruzeta polimrica seo 8

117

Figura 8.28 Flecha mxima (a) e tenses de Von Mises (b) para carga de 150N seo 8

117

Figura 8.29 Curvas obtidas na anlise numrica, com o elemento finito Solid45, do modelo de cruzeta polimrica seo 9 seo circular macia

118

Figura 8.30 Flecha mxima (a) e tenses de Von Mises (b) para carga de 150N seo 9

118

Figura 8.31 Comparao das curvas de cruzetas polimricas com e sem furos de fixao, obtidas por meio de simulao numrica (Solid45)

120

Figura 8.32 Curvas fora versus flecha Solid45 e Beam189 121

Figura 8.33 Curvas fora versus flecha para o prottipo 1 Solid45 123

Figura 8.34 Curvas fora versus flecha para o prottipo 2 Solid45 123

Figura 8.35 Curvas fora versus flecha para o prottipo 3 Solid45 123

Figura 8.36 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento prottipo 1 125

Figura 8.37 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento prottipo 2 126

Figura 8.38 Evoluo das tenses de Von Mises ao longo do carregamento prottipo 3 127

Figura A.1 Representao esquemtica do dispositivo de ensaio de trao uniaxial 142

Figura A.2 Geometria e dimenses tpicas de corpos-de-prova para ensaio de trao em polmeros

143

Figura A.3 Diagrama tenso versus deformao para material com comportamento linear (a) e no linear (b)

145

Figura A.4 Geometria dos corpos-de-prova para ensaios de flexo em polmeros 146

Figura A.5 Representao esquemtica de ensaio de flexo m trs pontos 147

Figura A.6 Corpo-de-prova utilizado no ensaio de flexo 147

Figura A.7 Corpo-de-prova utilizado no ensaio de compresso (a) e representao esquemtica de ensaio de compresso (b)

149

xviii

Figura A.8 Corpo-de-prova utilizado no ensaio de impacto 152

Figura B.1 Modelo linear de desenvolvimento 153

Figura B.2 Etapas simplificadas do processo de reciclagem mecnica de plsticos 155

Figura Ap. 1 Curvas do ensaio de trao da amostra de poliuretano 165

Figura Ap. 2 Curvas do ensaio de compresso da amostra de poliuretano 165

Figura Ap. 3 Curvas do ensaio de flexo da amostra de poliuretano 166

Figura Ap. 4 Curvas do ensaio de trao da amostra de PEAD reciclado 166

xix

LLIISSTTAA DDEE TTAABBEELLAASS

Tabela 1.1 Valores de venda para resinas termoplsticas 02

Tabela 1.2 Consumo de energia eltrica para fabricao de alguns materiais 04

Tabela 2.1 Prottipos de casas plsticas 11

Tabela 2.2 Valores mdios de algumas caractersticas dos materiais de construo 15

Tabela 3.1 Mdulos de elasticidade tpicos ( temperatura ambiente) 24

Tabela 3.2 Valores tpicos para as constantes 29

Tabela 3.3 Valores tpicos de coeficientes de expanso trmica 31

Tabela 3.4 Temperaturas de distoro tpicas de alguns plsticos no ensaio 1820 N 32

Tabela 3.5 Constante dieltrica (K) para diversos materiais 34

Tabela 3.6 Poderes calorficos de diversos materiais 37

Tabela 3.7 Tabela comparativa entre fibras de carbono, vidro e aramida 41

Tabela 4.1 Espcies de madeira 48

Tabela 4.2 Resistncia flexo 49

Tabela 4.3 Resistncia flexo 52

Tabela 4.4 Resistncia flexo 55

Tabela 4.5 Tabela comparativa de massas 56

Tabela 4.6 Tabela comparativa de custos 57

Tabela 5.1 Propriedades das sees transversais 60

Tabela 5.2 Grandezas efetivas 63

Tabela 5.3 Constantes Fsicas 63

Tabela 5.4 Fatores de escala 64

Tabela 6.1 Caractersticas da mistura 68

Tabela 6.2 Propriedades aps cura completa (7 dias a 25C ou 14 horas a 40C) 68

Tabela 8.1 Valores encontrados no ensaio de trao das amostras de poliuretano 94

Tabela 8.2 Valores encontrados no ensaio de trao das amostras de PEAD 95

Tabela 8.3 Valores encontrados no ensaio de compresso das amostras de poliuretano 96

Tabela 8.4 Valores encontrados no ensaio de flexo das amostras de poliuretano 97

Tabela 8.5 Valores encontrados no ensaio de impacto das amostras de poliuretano 97

Tabela 8.6 Valores encontrados no ensaio do modelo e previso de resultados 99

xx

para o prottipo

Tabela 8.7 Previso de resultados para modelo e prottipo, aps a correo do esquema esttico

99

Tabela 8.8 Valores encontrados no ensaio do modelo e previso de resultados para o prottipo

101

Tabela 8.9 Previso de resultados para modelo e prottipo, aps a adaptao do esquema esttico

101

Tabela 8.10 Valores encontrados no ensaio do modelo e previso de resultados para o prottipo

102

Tabela 8.11 Previso de resultados para modelo e prottipo, aps correo do esquema esttico

102

Tabela 8.12 Valores encontrados no ensaio do modelo e previso de resultados para o prottipo

103

Tabela 8.13 Previso de resultados para modelo e prottipo, aps a correo do esquema esttico

103

Tabela 8.14 Valores encontrados no ensaio do modelo e previso de resultados para o prottipo

104

Tabela 8.15 Previso de resultados para modelo e prottipo, aps correo do esquema esttico

105

Tabela 8.16 Comparao dos valores encontrados na anlise numrica dos prottipos de cruzeta polimrica com os valores da norma NBR 8458:1984

124

xxi

SSUUMMRRIIOO

1. INTRODUO 01

1.1. Consideraes iniciais 01

1.2. Objetivos 03

1.3. Justificativa 03

1.4. Justificativa especfica 04

1.5. Etapas de Trabalho 05

1.6. Estrutura da Dissertao 06

1.7. Histrico dos polmeros 07

2. APLICAES EM CONSTRUES 09

2.1. Construo Civil 09

2.2. Sistemas de distribuio de Energia 15

2.1.1. Histrico 15

2.1.2. Sistemas de distribuio de energia eltrica 16

3. ENGENHARIA DE POLMEROS 19

3.1. Definio dos polmeros 19

3.2. Classificao dos polmeros 19

3.3. Propriedades dos polmeros 21

3.3.1. Mdulo de elasticidade 23

3.3.2. Resistncia trao 24

3.3.3. Resposta dependente do tempo (fluncia e relaxao de tenso 25

3.3.4. Coeficiente de Poisson 27

3.3.5. Resistncia fadiga 27

3.3.6. Resistncia ao impacto (tenacidade) 29

3.4. Propriedades trmicas 30

3.4.1. Ponto de fuso cristalino e temperatura de transio vtrea 31

3.4.2. Entalpia 31

3.4.3. Coeficiente de expanso trmica 31

3.4.4. Temperatura de distoro 32

3.4.5. Condutividade trmica 32

3.5. Propriedades eltricas 32

xxii

3.5.1. Resistividade volumtrica 33

3.5.2. Resistividade superficial 33

3.5.3. Constante dieltrica 34

3.5.4. Rigidez dieltrica 34

3.5.5. Resistncia dieltrica 35

3.5.6. Fator de potncia 35

3.5.7. Resistncia ao arco 35

3.6. Propriedades ticas 35

3.7. Outras propriedades 35

3.7.1. Caractersticas de desgaste 35

3.7.2. Usinabilidade 36

3.7.3. Tolerncias dimensionais 36

3.7.4. Absoro de gua 36

3.7.5. Inflamabilidade 36

3.7.6. Resistncia aos efeitos ambientais 38

3.8. Alterao das propriedades dos plsticos 38

3.8.1. Antiestticos 39

3.8.2. Agentes de processamento / Lubrificantes 39

3.8.3. Corantes 39

3.8.4. Plastificantes 40

3.8.5. Biocidas 40

3.8.6. Reforos 40

3.9. Processamento de polmeros 41

3.9.1. Moldagem por extruso 42

3.9.2. Moldagem por sopro 42

3.9.3. Termomoldagem 44

3.9.4. Moldagem por injeo 44

3.9.5. Calandragem 45

3.9.6. Pultruso 45

4. CRUZETAS 47

4.1. Consideraes Iniciais 47

4.2. Cruzetas de madeira 47

4.3. Cruzetas de concreto armado 51

4.4. Cruzetas metlicas 54

xxiii

4.5. Particularidades das cruzetas 55

4.5.1. Massa 56

4.5.2. Custo e durabilidade 56

5. ESTUDO DAS PROPRIEDADES DAS SEES TRANSVERSAIS E DE MODELOS

REDUZIDOS 59

5.1. Consideraes Iniciais 59

5.2. Estudo das propriedades das sees transversais 59

5.2.1. Modelos de sees transversais 59

5.3. Modelos em escala reduzida 62

5.3.1. Aspectos gerais da modelagem fsica 62

5.3.2. Anlise Dimensional 62

5.3.3. Teoria da homogeneidade dimensional 63

5.3.4. Grandezas fsicas, dimenses e unidades 63

5.3.5. Condies de semelhana fsica 64

5.3.6. Aplicao da teoria dos modelos reduzidos s cruzetas 65

6. INVESTIGAO EXPERIMENTAL 67

6.1. Consideraes iniciais 67

6.2. Fabricao dos moldes de silicone e corpos-de-prova 67

6.3. Dimenses dos corpos-de-prova 68

6.4. Fabricao dos moldes de silicone 69

6.5. Moldagem dos corpos-de-prova em poliuretano 70

6.6. Ensaios mecnicos 70

6.6.1. Realizao dos ensaios de trao 71

6.6.2. Realizao dos ensaios de compresso 73

6.6.3. Realizao dos ensaios de impacto Izod 73

6.6.4. Realizao dos ensaios de flexo 76

6.7. Modelos de cruzeta em escala reduzida 78

6.8. Consideraes finais 79

7. ASPECTOS DA MODELAGEM NUMRICA 81

7.1. Consideraes iniciais 81

7.2. Geometria dos modelos analisados 81

7.3. Elementos finitos utilizados 83

xxiv

7.4. Critrios adotados para a anlise no-linear da cruzeta 85

7.5. Simulao numrica 88

7.5.1. Modelos de cruzeta polimrica 88

7.6. Consideraes finais 91

8. RESULTADOS 93

8.1. Ensaio dos corpos-de-prova 93

8.1.1. Ensaio de trao 93

8.1.2. Ensaio de compresso 95

8.1.3. Ensaio de flexo 96

8.1.4. Ensaio de impacto 97

8.2. Ensaio de flexo nos modelos de cruzeta 97

8.2.1. Anlise experimental de cruzeta polimrica 97

a) Seo transversal tipo 1 98

b) Seo transversal tipo 2 100

c) Seo transversal tipo 3 101

d) Seo transversal tipo 5 103

e) Seo transversal tipo 10 104

8.2.2. Comparao dos resultados experimentais e numricos 105

a) Seo transversal tipo 1 105

b) Seo transversal tipo 2 107

c) Seo transversal tipo 3 109

d) Seo transversal tipo 5 111

e) Seo transversal tipo 10 112

8.2.3. Resultados complementares da anlise numrica 113

a) Seo transversal tipo 4 114

b) Seo transversal tipo 6 115

c) Seo transversal tipo 7 116

d) Seo transversal tipo 8 117

e) Seo transversal tipo 9 118

8.2.4. Estudo da influncia de furos 119

8.2.5. Comparao entre os elementos Solid45 e Beam189 121

8.2.6. Simulao numrica de flexo em prottipos de cruzetas de

PEAD 122

8.3. Consideraes finais 128

xxv

9. CONCLUSES E SUGESTES 129

9.1. Consideraes finais 129

9.1.1. Comentrios sobre a anlise experimental 130

9.1.2. Simulao numrica dos modelos polimricos 130

9.1.3. Concluses 131

9.2. Sugestes para trabalhos futuros 132

BIBLIOGRAFIA 133

ANEXO A Roteiro Bsico de Ensaios Mecnicos 141

ANEXO B Reciclagem 153

APNDICE A Frmas para modelos de cruzetas e moldes de silicone 159

APNDICE B Curvas de caracterizao dos materiais 165

xxvi

1

11.. IINNTTRROODDUUOO

11..11 CCoonnssiiddeerraaeess iinniicciiaaiiss A evoluo da humanidade se confunde com a descoberta dos materiais. Para

atender suas necessidades, o homem vem produzindo ferramentas e fabricando objetos.

No incio, os materiais mais usados eram a pedra, a madeira e o barro. Depois,

vieram os metais. Com a Revoluo Industrial houve a descoberta de novas ligas, um

aperfeioamento nos processos de produo e uma busca incessante de novos materiais e

tecnologias que pudessem aumentar o rendimento e a lucratividade das empresas. No

sculo XX ocorreu um grande avano nas pesquisas sobre novos materiais, principalmente

no campo dos materiais sintticos e, dentre eles, esto os termoplsticos. comum

observar que peas inicialmente produzidas com outros materiais, particularmente metal ou

madeira, tm sido substitudas por outras de plstico. Essas peas, quando devidamente

projetadas, cumprem seu papel apresentando, na maioria das vezes, um desempenho

superior ao do material antes utilizado.

No ambiente tcnico, o termo plstico, que vem do grego plastiks, designado

para o grupo de materiais sintticos que so processados, aquecidos e moldados at que se

obtenha a geometria desejada. Os plsticos so formados por molculas, principalmente

sintticas e orgnicas, chamadas de polmeros (do grego: poli - muitas, mero - partes).

Polietilenos, polipropileno, poliestireno, polister, nylon e teflon so exemplos de polmeros

industriais.

Os plsticos tm sido usados em grande escala na produo de embalagens,

principalmente de produtos alimentcios, utenslios domsticos e eletrodomsticos, alm de suas

aplicaes cientfico-tecnolgicas e em diversas reas da indstria e da engenharia, como tm

ocorrido com a engenharia civil. A popularizao dos plsticos se deve, basicamente, ao seu

peso especfico reduzido, razovel resistncia, possibilidade de uso na fabricao de peas

das mais variadas formas e baixo custo de produo, quando comparado a outros materiais.

A tabela 1.1 apresenta os valores de venda para alguns tipos de resinas termoplsticas,

novas e recicladas, encontrados no mercado.

11CC C

AA APP P TT T UU U

LL L OO O

2

Tabela 1.1 Valores de venda para resinas termoplsticas. Resinas Termoplsticas (Recicladas) Material Preo (R$)

PEAD colorido (injeo)* 2,40 PEAD colorido (sopro)* 2,40 PEAD branco (sopro)* 2,90 PEAD preto** 2,00 PP canela (extruso)* 3,10 PP colorido (injeo)* 2,40 PP preto** 2,20 PEBD natural** 3,20 PEBD branco** 3,00 PEBD preto** 2,00

Resinas Termoplsticas (Novas) Material Preo (R$)

PP** 5,15 PS** 4,80 * Dannaplas (informao pessoal)1 ** Camar Plsticos Ltda (informao pessoal)2

Analisando-se os dados, pode-se observar que a diferena de preo, considerando-

se o PP reciclado (preto) e o novo de 134%, o que comprova seu baixo custo em relao a

um material novo e abre um leque de possibilidades de utilizao, tais como para a

fabricao de elementos estruturais.

Segundo Parente (2006), o emprego de materiais termoplsticos reciclados para a

produo de elementos estruturais estimular o aumento da reciclagem dos plsticos no

Pas, agregando valor e tornando mais nobre o produto da reciclagem. Assim, sero

retirados dos aterros sanitrios e lixes materiais que podem levar at 450 anos para se

degradar e, ao mesmo tempo, sero criados inmeros postos de trabalho, desde a coleta

seletiva do resduo, seu processamento e produo, o desenvolvimento de novos produtos e

aplicaes, at a venda do produto final.

A proposta inicial do grupo de pesquisas em que este trabalho se insere era estudar

as cruzetas de polietileno de alta densidade (PEAD) e verificar a necessidade do uso de

cargas e de adies, para adequar essas cruzetas para o emprego em redes de distribuio

de energia eltrica.

Porm, o custo para extruso dos modelos de cruzetas de PEAD seria muito alto,

dada a necessidade de fabricao de matrizes e calibradores, indispensveis na linha de

produo. 1 Cotao recebida por [email protected], em 28 de julho de 2006. 2 Cotao recebida por [email protected], em 28 de julho de 2006.

3

Para contornar este problema, foi decidido o uso de poliuretano (PU), numa

composio que resultasse caractersticas mecnicas semelhantes s do PEAD. O PU

utilizado, por ser uma resina lquida, pode ser moldado em laboratrio.

Neste trabalho, portanto, ser considerado o PU. Em outro trabalho, desenvolvido

em paralelo e com concluso prevista para meados de 2007, esto sendo estudadas as

caractersticas do PEAD.

Devido s pequenas dimenses dos corpos-de-prova, as matrizes e os calibradores

para sua extruso no tem custo proibitivo, e esto sendo fabricados com apoio financeiro

da FAPESP. A extruso desses corpos-de-prova est sendo feita pela IPEX, empresa de

So Carlos, parceira nesta linha de pesquisa.

11..22 OObbjjeettiivvooss Este trabalho considera, portanto, o desenvolvimento de uma cruzeta polimrica, de

modo que ela seja compatvel com as normas tcnicas e que seja produzida com um

material que proporcione maior durabilidade e que, ao final da sua vida til, possa ser

reciclado ou vendido, obtendo-se assim um retorno de capital, com a sua venda.

Os objetivos especficos so:

Pesquisar a literatura existente sobre o comportamento estrutural de materiais

polimricos;

Avaliar experimentalmente propriedades mecnicas (resistncia e mdulo de

elasticidade) do sistema base de poliuretano, por meio de ensaios de: (i) trao, (ii)

compresso, (iii) flexo e (iv) impacto;

Estudar sees macias e vazadas, fazendo uma anlise comparativa de resistncia,

rigidez, densidade e custos;

Realizar ensaios experimentais de flexo para as sees adotadas;

Comparar as caractersticas mecnicas de cruzetas de material polimrico com as de

outros materiais;

Obter dados e evidncias tcnicas que indiquem ou no a viabilidade da aplicao

de materiais polimricos em cruzetas;

Sugerir outros materiais que possam ser adicionados aos materiais polimricos, a fim

de se obter uma melhoria em suas propriedades.

11..33 JJuussttiiffiiccaattiivvaa Nos ltimos anos, os termoplsticos tm ocupado um espao cada vez maior em

aplicaes que utilizavam outros tipos de materiais, como madeira, ferro, ao, alumnio,

4

outros metais e ligas metlicas, etc. Esse grande avano foi motivado pela versatilidade dos

termoplsticos, uma vez que estes podem reproduzir as caractersticas de outros materiais,

muitas vezes com vantagens.

Alm disso, existe a possibilidade de adio de cargas ou de reforos na matriz

polimrica, alm de vrios tipos de aditivos para diversas finalidades, tais como auxiliar o

processamento, agir contra a degradao por ao ultravioleta, dentre outros. Existe

tambm a possibilidade de se trabalhar com blendas e combinar as vantagens de polmeros

diferentes.

Nos ltimos tempos, alguns desafios tm surgido, e um deles est relacionado ao

consumo de energia, que antes no tinha grande relevncia, devido ao seu baixo custo e

abundncia, mas que agora tem sido um assunto muito discutido e colocado em destaque,

no cenrio nacional e mundial.

Com relao a este assunto, Ferraroli et al. (2001) apresentam os valores indicados

na tabela 1.2, relativos massa especfica e ao consumo de energia para a fabricao de

alguns materiais e dos termoplsticos: poliestireno de alto impacto (HIPS), poliestireno (PS)

e tereftalato de polietileno (PET).

Tabela 1.2 - Consumo de energia eltrica para fabricao de alguns materiais. Fonte: Ferraroli et al. (2001).

Consumo de Energia Eltrica Material Massa Especfica (kg/m) (MWh/m) Vidro 2600 2,08 Ao 7500 10,40

Alumnio 2700 92,00 HIPS 1050 1,41 PS 1050 1,02

PET 1330 2,93

Essa tabela indica o consumo de energia eltrica para a produo de um metro

cbico de material. Segundo Ferraroli et at. (2001), a comparao engloba todo o ciclo de

vida do material, desde sua extrao at a obteno do produto final. Analisando-se os

dados, pode-se observar que o consumo energtico para a fabricao dos materiais

tradicionais, com exceo do vidro, bem superior ao dos materiais termoplsticos, assim

como sua massa especfica final.

11..44 JJuussttiiffiiccaattiivvaa eessppeeccffiiccaa As interrupes no sistema de distribuio de energia eltrica provocam grandes

prejuzos s concessionrias e aos clientes. Com o objetivo de evitar essas interrupes,

5

importante que se promovam estudos sobre novos materiais, compsitos e estruturas que

possam ser utilizadas no sistema de distribuio.

Segundo Silva (2003), nos sistemas de distribuio de energia tem-se um nmero

muito grande de cruzetas de madeira, e suas substituies anuais atingem patamares de

milhares de unidades. As madeiras utilizadas para essas cruzetas, a cada dia que passa,

sofrem mais restries ambientais para o seu uso. Isto faz com que seja mais difcil obter

madeiras que possuam uma durabilidade aceitvel para o emprego nas redes de distribuio.

Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma cruzeta

polimrica, com caractersticas de rigidez e durabilidade compatveis com as normas

vigentes. Tambm tem por objetivo a utilizao de plsticos reciclados, incentivando assim a

reciclagem de materiais antes descartados, e contribuindo com questes ambientais.

O trabalho descrito ao longo deste projeto faz parte de uma linha de pesquisa sobre

Elementos Estruturais de Polmeros Reciclados, que envolve no s alunos e docentes do

Departamento de Engenharia de Estruturas (SET/EESC/USP), como tambm

pesquisadores de outros departamentos da EESC/USP.

Devido s baixas rigidez e resistncia do poliuretano (PU) e do polietileno de alta

densidade (PEAD), quando comparadas s dos materiais estruturais usualmente

empregados na construo civil, este trabalho dever ser complementado por outros, em

que sero obtidos blendas e compsitos adequados para aplicao dos materiais

polimricos com funo estrutural. J que este projeto consiste no primeiro trabalho

experimental do SET, realizado no mbito dessa nova linha de pesquisa, dever fornecer

subsdios aos demais que o sucedero.

11..55 EEttaappaass ddee TTrraabbaallhhoo Este trabalho foi feito com o desenvolvimento das seguintes etapas: reviso

bibliogrfica, ensaios para caracterizao dos materiais, investigao experimental e

modelagem numrica de modelos de cruzeta em escala reduzida.

A primeira etapa consiste em uma reviso bibliogrfica sobre o comportamento

estrutural dos materiais termoplsticos e de suas aplicaes no campo da Engenharia Civil,

de modo a fornecer os conhecimentos necessrios para a realizao desta pesquisa.

A segunda etapa aborda o desenvolvimento de uma metologia de fabricao dos

corpos-de-prova de trao, compresso, flexo e impacto, segundo as Normas Tcnicas

ASTM D638-03, ASTM D695-02a, ASTM D790-96a e ASTM D256-04, respectivamente,

utilizando um sistema base de poliretano.

6

A terceira etapa corresponde avaliao das propriedades mecnicas em trao,

compresso, flexo e impacto de um sistema base de poliuretano, por meio de ensaios

experimentais em laboratrio, presso e temperatura ambientes.

Na quarta etapa foi desenvolvida uma metodologia para fabricao de modelos de

cruzetas, foi feita sua avaliao experimental em laboratrio e o confronto dos valores

experimentais com os valores obtidos pelo Mtodo dos Elementos Finitos (MEF), tendo em

vista a validao da utilizao de cruzetas polimricas em redes de distribuio de energia

eltrica.

11..66 EEssttrruuttuurraa ddaa DDiisssseerrttaaoo No Captulo 1 so apresentados os objetivos da pesquisa, a justificativa e os

mtodos empregados para o desenvolvimento deste trabalho, finalizando com um histrico

dos materiais polimricos.

O Captulo 2 traz uma reviso bibliogrfica sobre os plsticos, sua evoluo e

primeiras aplicaes, at a sua insero como material de construo. Engloba tambm o

estado da arte, os trabalhos e as conquistas recentes da aplicao dos plsticos como

material constituinte de elementos estruturais.

No Captulo 3 feita uma breve apresentao dos plsticos existentes, a partir de

sua classificao e caractersticas gerais, alm de um enfoque mais aprofundado nas

propriedades mecnicas e caractersticas fsicas dos plsticos, com nfase nos aspectos

que so necessrios a um projeto estrutural.

O Captulo 4 descreve os principais tipos e materiais das cruzetas existentes, assim

como seu arranjo e metodologia de ensaio. Nesse captulo tambm feita uma breve

abordagem entre alguns parmetros, tais como custo e massa, entre cruzetas polimricas,

metlicas, de madeira e de concreto armado.

No Captulo 5 feito um estudo sobre os fatores que influenciam as sees

transversais (e.g., quantidade de material e rigidez). Faz-se tambm uma abordagem sobre

os parmetros e conceitos envolvidos na utilizao de modelos reduzidos.

So descritos, no Captulo 6, todos os aspectos da pesquisa experimental, tais como

(a) mtodo adotado para fabricao dos corpos-de-prova, (b) ensaios de caracterizao dos

materiais, (c) etapas de confeco e montagem dos modelos e (d) procedimento e esquema

de ensaio, dentre outros.

No Captulo 7 apresenta-se a simulao numrica por meio de um software baseado

no Mtodo dos Elementos Finitos (MEF).

7

O Captulo 8 apresenta a anlise e a discusso dos resultados da investigao

experimental e da simulao numrica dos modelos reduzidos, alm da extrapolao de

resultados para modelos reais.

E por ltimo, no Captulo 9, encontram-se as consideraes finais, as concluses do

trabalho e algumas sugestes para futuras pesquisas relacionadas com polmeros

reciclados.

11..77 HHiissttrriiccoo ddooss ppoollmmeerrooss At o incio do sculo passado, o homem s conhecia as macromolculas orgnicas

de origem natural, como, por exemplo, a madeira e a l. Dentre muitas outras aplicaes,

esses materiais eram muito utilizados na fabricao de vrios objetos na construo civil e

no vesturio.

Um grande avano na histria da indstria de plsticos foi a descoberta do processo

de vulcanizao da borracha em 1839 (a partir do ltex, um polmero natural, que j era

largamente empregado), por Charles Goodyear. Em 1865 foi descoberto o processo de

acetilao da celulose, resultando em produtos comerciais de grande uso, como as fibras de

rayon, celofane, dentre outros. O prximo grande passo foi a nitrao da celulose,

resultando na nitrocelulose, que foi comercializada primeiramente por Hyatt, em 1870.

Desse produto foi obtido o celulide, que comeou a ser muito utilizado pela indstria

cinematogrfica.

Em 1909 o americano Leo Hendrik Baekeland, de origem belga, produziu a primeira

substncia plstica sinttica, a baquelite. Desde ento, a indstria e o uso de polmeros no

parou de crescer.

Hermann Staudinger, em 1924, props que os polisteres e a borracha natural

possuam estruturas qumicas lineares. Devido aos seus estudos, recebeu posteriormente o

Prmio Nobel em Qumica (1953), por ser o pioneiro na qumica de macromolculas. Em

1928, Wallace H. Carothers, pesquisador do Laboratrio Central de Pesquisa da DuPont,

realizou estudos sobre polmeros lineares obtidos por condensao de monmeros

difuncionais. Seu grupo de pesquisa desenvolveu e estudou o neopreno, os polisteres e as

poliamidas. Um membro desse grupo, Paul J. Flory, receberia em 1974 o Prmio Nobel em

Qumica, por sua contribuio na investigao da qumica de polmeros.

Entre 1930 e 1942, vrios polmeros foram descobertos, como o copolmero de estireno-

butadieno (1930); a poliacrilonitrila, os poliacrilatos, o poli(acetato de vinila) e o copolmero de

estireno-acrilonitrila (1936); os poliuretanos (1937); o poliestireno e o poli(tetraflor-etileno) (teflon)

(1938); a resina melamina-formaldedo (frmica) e o poli(tereftalato de etileno) (1941); fibras de

8

poliacrilonitrila (orlon) e os polisteres insaturados (1942). A primeira indstria a produzir o nylon

foi a Du Pont em 1938, sendo a fabricao do nylon-6 (perlon) iniciada no ano seguinte pela I. G.

Faber. Nessa poca, na Alemanha, P. Schlack realizou a primeira polimerizao por abertura de

anel de um composto orgnico cclico, ao produzir o nylon-6 a partir da caprolactama.

Aps a Segunda Guerra Mundial, a fabricao e a comercializao dos materiais

polimricos alcanaram um grande desenvolvimento, surgindo as resinas epoxdicas (1947) e

ABS (1948), alm do desenvolvimento do poliuretano. A dcada de 50 foi marcada pelo

aparecimento de vrios polmeros, como o polietileno linear, o polipropileno, o poliacetal, o

policarbonato, o poli(xido de fenileno) e de novos copolmeros. Outro avano significativo no

estudo da qumica de polmeros ocorreu em 1953, com a descoberta da polimerizao

esteroespecifica, por Karl Ziegler e Giulio Natta. Esses pesquisadores receberam o Prmio Nobel

em Qumica de 1963, pelo estudo desse tipo de polimerizao.

Nos anos 60, os plsticos deixaram de substituir apenas as madeiras e comearam a ser

utilizados em embalagens, substituindo o papelo e o vidro, enquanto que nos anos 70, os

plsticos tomaram o lugar de algumas ligas leves.

Nos anos 80, a produo de plsticos se tornou bastante intensa e diversificada, tornando

essa indstria qumica uma das principais no Mundo.

Devido crescente necessidade de novos materiais polimricos, vrios centros de

pesquisa, indstrias e universidades tm realizado estudos cientficos e tecnolgicos,

desenvolvendo polmeros com as mais variadas propriedades qumicas e fsicas. Hoje, o mundo

moderno no concebvel sem a presena dos plsticos e das borrachas, podendo o progresso

de um pas ser medido pelo seu nvel de produo de plsticos. Segundo fontes recentes, tais

como o Sindicato da Indstria de Resinas Plsticas (SIRESP), Cerqueira e Hemais (2001) e o

Jornal de Plsticos, o consumo per capita de plsticos em 1995 no Brasil foi de 14 kg/hab/ano e

em 2006 passou a 26 kg/hab/ano, mas ainda muito baixo quando comparado com outros pases

como Singapura, Taiwan, Japo, Estados Unidos e pases da Europa Ocidental. Entretanto, esse

consumo no Brasil tem aumentado significativamente nos ltimos anos, o que comprova o

desenvolvimento da indstria de produo e de transformao de plsticos no pas e,

principalmente, a melhor qualidade dos produtos.

9

222... AAAPPPLLLIIICCCAAAEEESSS EEEMMM CCCOOONNNSSSTTTRRRUUUEEESSS 22..11.. CCoonnssttrruuoo CCiivviill

At h pouco tempo, a palavra plstico era mais associada s indstrias automotiva,

naval e aeroespacial. Hoje, ela tambm est presente no cotidiano da engenharia civil e se

pode relacion-la a diversas aplicaes, tais como: membranas geotxteis utilizadas para

controlar a passagem de gua e reforo do solo; filmes de polietileno (PE) para proteo contra a

umidade, vento, produtos qumicos e p; espumas de poliuretano para isolao trmica de

edifcios; fabricao de forros, tubos e esquadrias de poli(cloreto de vinila) (PVC), dentre outros.

Segundo Quarmby (1976), os plsticos vm sendo utilizados como materiais de

construo h muito tempo. Em 1933 alguns prottipos de casas plsticas j haviam sido

construdos em vrios pases, principalmente na Alemanha, na Sucia e nos Estados

Unidos. Entretanto, depois da Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos e a Gr-Bretanha

comearam a utilizar os plsticos, de modo mais sistemtico, como materiais de construo.

Em 1955 foi construda por Ionel Schein, Yves Magnant, R.A. Coulon e Antoine

Fasani a primeira casa totalmente feita com plstico, a Maison Plastique (Fig. 2.1). O seu

projeto foi baseado em uma concha de caracol e consistia de uma clula bsica circular com

cozinha, banheiro e dormitrio, e previa futuras ampliaes que poderiam ser feitas de

acordo com as necessidades do proprietrio.

Figura 2.1 - Maison Plastique.

Fonte: http://www.dr-z.net/article_info.php/articles_id /1.

Devido falta de conhecimento sobre a tecnologia dos plsticos, foram necessrias

muitas adaptaes de projeto e o acabamento foi manual. Para sua construo foram

utilizados 15 tipos diferentes de plsticos, que possuam trs tonalidades: amarelo, azul e

22CC C

AA APP P TT T UU U

LL L OO O

10

vermelho. Ao todo, foram construdos 70 prottipos dessa casa. Em 1974, devido ao

elevado preo do plstico virgem, ao embargo do petrleo e grande competitividade das

estruturas de concreto e de ao, foi encerrada a produo desse tipo de casa (http://www.dr-

z.net/article_info.php/ articles_id /1).

Segundo Quarmby (1976), em 1941, na Esccia, a Building Plastics Research

Corporation, de Glasqow, apresentou algumas propostas para construo de casas

modulares. Esse sistema consistia na utilizao de painis de plstico padronizados, que

serviam como acabamento interno e externo da obra.

Em 1957, nos Estados Unidos, Monsanto e um grupo de arquitetos do

Massachusetts Institute of Techonology (MIT) construram a House of the Future (Fig. 2.2),

que ficou exposta na Disneylndia durante dez anos. Ela foi construda sobre um pilar de

concreto e sua estrutura tinha formato de cruz grega, o que lhe forneceu alta resistncia

estrutural. Para sua construo foram utilizados 30000 kg de polister reforado com fibra

de vidro, sob forma de painis-sanduche, tapetes e mobilirio.

(a) (b)

Figura 2.2 - Monsanto House of the Future. Fonte: http://www.yesterland.com/futurehouse.html.

Em 1959 foi construda, por Rudolf Doernach, a primeira casa plstica da Alemanha

(Fig. 2.3). Sua estrutura era formada por quatro paredes plsticas idnticas e a cobertura,

por uma estrutura de fibra de vidro.

Figura 2.3 Casa plstica, por Rudolf Doernach.

Fonte: Quarmby (1976).

11

Depois da Segunda Guerra Mundial foram feitos diversos prottipos de casas

construdas com material plstico, e os mais relevantes, alm dos j citados anteriormente,

so apresentados na tabela 2.1.

Tabela 2.1 Prottipos de casas plsticas. Fonte: www.arq.ufsc.br/~labcon/arq5661/trabalhos_2004-2/plasticos/exemplos.

Ano Obra Pas 1956 Casa no salo de utilidades domsticas Frana 1957 Cabine hoteleira mvel Frana 1957 Clula Montecatini Itlia 1958 Casa dos Mosproject Rssia 1961 Abrigo de estrada de ferro Gr-Bretanha 1961 Casa Mex Frana 1962 Casa experimental URSS 1965 Casa-concha Frana 1966 Casa Trigon Suia 1967 Casa esferide Blgica 1968 Casa de frias (estrutura dobrada ) Mxico 1968 Casa do futuro Finlndia 1969 Casa redonda Sua

Segundo Hollaway (2003), a indstria da construo civil comeou a projetar e a

aceitar efetivamente os compsitos polimricos como um material vivel depois que as

primeiras estruturas sofisticadas para embarcadouros foram projetadas no Reino Unido e

construdas na frica.

Em 1974, em Lancashire, foi construdo um edifcio em que toda sua estrutura

utilizava compsitos como materiais de construo. O sistema construtivo utilizado nessa

obra composto por uma srie de unidades dos blocos, em que foi empregado um mtodo

de produo manual. A estrutura (Fig. 2.4) mostrou ser extremamente rgida, devido sua

geometria.

Figura 2.4 - Utilizao de GFRP em estrutura.

Fonte: Hollaway (2003).

12

Durante as dcadas de 1970 e 1980 vrios edifcios foram construdos no Reino Unido,

tais como a Escola Morpeth, a Casa Mondial e o Covent Garden Flower Market, em Londres, e o

Edifcio American Express (Fig. 2.5), em Brighton. Esses edifcios foram construdos com

vigas e pilares de concreto ou ao, os quais foram reforados com GFRP (polmero

reforado com fibra de vidro). Esses compsitos eram geralmente produzidos usando

disposio aleatria da fibra de vidro.

(a) (b)

Figura 2.5 Covent Garden Flower Market (a) e Edifcio American Express (b). Fonte: Hollaway (2003).

Ainda durante esse perodo, foram produzidas estruturas de compsitos polimricos

pultrusados, como mostrado em figura 2.6.

Figura 2.6 Estrutura produzida com perfis de FRP pultrusados.

Fonte: Hollaway (2003).

De 1990 a 2000 a utilizao de materiais compsitos de polmeros fez grandes

avanos no campo da construo civil, principalmente na rea das pontes.

Na figura 2.7 pode-se ver uma ponte que foi construda em 2000, sobre o rio Hudson,

em New York, a qual possui um vo de 9m e largura de 3,35m. Para sua construo, foram

utilizados 5000 kg de polietileno de alta densidade reforado com fibra de vidro e 2500 kg de

ao, para as conexes e os tirantes.

13

Figura 2.7 - Ponte sobre o rio Hudson construda com plstico reforado com fibra de vidro.

Fonte: Krishnaswamy (2001).

Outra ponte foi construda em 2002 sobre o rio Mullica, em New Jersey, com vo de 14m e

largura de 3,5m. Para sua construo foram utilizados 14000 kg de polietileno de alta densidade e

poliestireno.

Alm das pontes, est se fazendo uso do plstico na produo de elementos estruturais,

como por exemplo, dormentes para ferrovias.

Nosker e Renfree, pesquisadores da AMIPP, e o Centro de Materiais Avanados via

Processamento de Polmeros Imiscveis, da Universidade Rutgers em New Jersey (Estados

Unidos), esto desenvolvendo materiais estruturais por meio da utilizao de blendas

polimricas, como PEAD/PS, e da combinao com outros materiais como cermicas e metais.

Esse novo material estrutural vem sendo utilizado para a fabricao de vigas de seo I e de

pilares de plstico.

Algumas empresas, como a Tietek, U.S. Plastic Lumber, Polywood e Cogumelo esto

produzindo os dormentes de polmeros reciclados, e uma das vantagens desses elementos que,

alm de serem feitos com material reciclado, possuem o mesmo sistema de fixao dos

dormentes de madeira (Figura 2.8).

(a) (b)

Figura 2.8 - Dormentes de plstico reciclado produzidos pela Polywood Plastic Lumber, de New Jersey.

Fonte: Schut (2004).

14

Em 2002, o arquiteto japons Kengo Kuma projetou e construiu uma residncia de dois

pavimentos utilizando plstico reforado com fibra de vidro (FRP) para a produo das vigas e

painis (Fig. 2.9).

(a) (b) (c)

Figura 2.9 - Residncia japonesa construda em plstico Fonte: http://www.architectureweek.com/2005/0914/design_1-2.html.

Sullivan et al. (1999) desenvolveram um compsito polimrico a partir de material plstico

reciclado. Esse compsito sugerido aos mais diversos usos na construo e especialmente para

substituio de elementos que so produzidos com madeira, tais como dormentes de ferrovias,

meio-fios de estacionamentos, estacas em marinas, deques de piscinas, moures, cruzetas,

dentre outros. A figura 2.10 apresenta alguns elementos estruturais produzidos em plstico.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 2.10 Exemplos de aplicao de elementos estruturais em plsticos: (a) deques, (b) marinas, (c) piers e (d) guarda-corpo.

Fonte: www.cogumelo.com.br.

15

Com o objetivo de situar os materiais plsticos entre os materiais convencionais

utilizados na construo civil, a tabela 2.2 traz algumas caractersticas desses materiais.

Tabela 2.2 - Valores mdios de algumas caractersticas dos materiais de construo. Fonte: Rocha (1990).

Trao CompressoAo para

construo civil 7,8 - 7,9 370 370 12,5 400 - 500Concreto 2,5 - 2,8 1,5 - 3,5 20 - 40 12 250

Plsticos rgidos no reforados 0,8 - 2,2 10 - 150 7 - 200 50 - 250 60 - 150

Plsticos reforados 1,2 - 2,3 200 - 1000 150 - 500 15 - 30 150 - 250

Espumas rgidas 0,02 - 0,1 0,2 - 2 0,1 - 1 100 - 200 70

Tenso de ruptura (MPa)Caractersticas

Material Densidade (g/cm)

Coeficiente de dilatao trmica

linear (10-6/C)

Temperatura mxima de utilizao (C)

Analisando-se os dados, observa-se que os plsticos reforados podem atender s

solicitaes de trao e de compresso necessrias para aplicaes na construo civil.

Entretanto, deve-se fazer um estudo minucioso para aplicaes submetidas a elevadas

temperaturas, prevendo-se a utilizao de aditivos para melhorar suas propriedades trmicas.

Com relao aos plsticos rgidos no reforados, percebe-se que os valores apresentados

apresentam grande variabilidade, que pode ter sido ocasionada pela grande gama de polmeros

considerados nesta anlise.

As propriedades j citadas, juntamente com a alta durabilidade, o baixo custo de

manuteno e a dificuldade cada vez maior de se obter madeira de qualidade, tornam os

compsitos termoplsticos reciclados uma alternativa madeira, que pode ser utilizada para

aplicaes mais nobres como, por exemplo, mobilirio.

22..22.. SSiisstteemmaass ddee ddiissttrriibbuuiioo ddee eenneerrggiiaa

222...111...111... HHHiiissstttrrriiicccooo

A utilizao de postes e de cruzetas teve seu incio com o uso da energia eltrica e

do telgrafo. Devido necessidade de se fazer a distribuio de energia gerada e a

transmisso de mensagens entre localidades diferentes, foi necessria a utilizao de cabos

e, para a sustentao deles, postes e cruzetas.

O emprego da energia eltrica no pas teve seu incio em 1883 com a instalao da

Usina Hidroeltrica Ribeiro do Inferno, na cidade de Diamantina, Minas Gerais, que foi

destinada primeiramente ao fornecimento de fora motriz a servios de minerao (Silva,

2003). Depois dessa usina, vrias outras foram construdas, principalmente no Estado de

16

Minas Gerais. A Usina Monjolinho, de 1893, em So Carlos, a primeira do Estado de So

Paulo, e a mais antiga em operao no pas.

Segundo Gomes (1986), a partir das primeiras instalaes que datam do final do

sculo XVIII, a aplicao da energia eltrica foi se ampliando tanto nos pases

desenvolvidos como nos pases em desenvolvimento, como o Brasil. At a primeira dcada

do sculo XX, essas pequenas usinas geradoras de energia eltrica visavam o atendimento

dos servios pblicos instalados nas cidades, predominantemente para fornecimento de

fora motriz a unidades industriais, sobretudo do setor txtil, o atendimento da iluminao

pblica e privada e, em particular, fornecendo trao aos bondes utilizados para o transporte

coletivo. A necessidade de atender crescente demanda por iluminao, abastecimento de

gua, esgoto, transportes e telefonia, e a impossibilidade de seu atendimento diretamente

por parte da administrao pblica, levou a instituio definitiva do regime de concesses para a

prestao dos servios pblicos, como ocorre atualmente.

222...111...222... SSSiiisssttteeemmmaaasss dddeee dddiiissstttrrriiibbbuuuiiiooo dddeee eeennneeerrrgggiiiaaa eeellltttrrriiicccaaa

O sistema de distribuio pode ser definido como a parte de um sistema de potncia

destinado ao transporte e distribuio de energia eltrica, a partir do barramento

secundrio de uma subestao (onde termina a transmisso ou subtransmisso) at os

pontos de consumo.

Existem diversos sistemas de distribuio de energia eltrica, dentre os quais podem ser

citados o sistema de redes nuas, redes areas compactas, que so subdivididas em

protegidas de mdia tenso e isoladas de baixa e mdia tenso, rede com cabos pr-reunidos

de mdia tenso, redes subterrneas, etc.

As redes areas convencionais so caracterizadas por condutores nus (Fig. 2.11). Por

estarem desprotegidas contra as influncias do meio, apresentam altas taxas de falhas, como a

interrupo no fornecimento de energia, provocada pelo contato dos galhos das rvores, a queima

de eletrodomsticos, o comprometimento da iluminao pblica, dentre outras.

(a) (b)

Figura 2.11 - Rede convencional de distribuio de energia.

17

As redes areas compactas protegidas (Fig. 2.12) so constitudas de espaadores

plsticos, instalados em uma distncia de oito a dez metros, e tm a funo de apoiar os

condutores, dispondo-os num arranjo triangular. Um cabo de ao mensageiro sustenta

esses espaadores e absorve todo o esforo mecnico, deixando os condutores

ligeiramente tracionados.

As redes secundrias isoladas (Fig. 2.13) so utilizadas em razo das exigncias

requeridas pelo meio ambiente, ou seja, em reas densamente arborizadas, com galhos em

contato permanente com os condutores. Nesse tipo de rede, so utilizados trs condutores

isolados, blindados, tranados e reunidos em torno de um cabo mensageiro de sustentao,

fazendo com que esse sistema seja totalmente isolado (CEMIG).

(a) (b)

Figura 2.12 - Rede area compacta protegida de distribuio de energia. Fonte: Celg.

Figura 2.13 - Rede secundria isolada.

Fonte: CPFL.

A rede de distribuio subterrnea aquela constituda de cabos e acessrios

instalados sob a superfcie do solo, diretamente enterrados ou em dutos (Eletropaulo).

Neste trabalho ser estudado um elemento da rede de distribuio area

convencional, as cruzetas, cuja funo sustentar os condutores de energia eltrica,

conforme ilustrado na figura 2.14.

18

Figura 2.14 - Estrutura bsica para construo de sistema areo.

Inicialmente, os postes e cruzetas eram feitos de madeira. Devido ao fato da madeira

estar sujeita aos ataques de organismos e conseqente degradao, foi necessrio o

desenvolvimento de novos materiais. Hoje, j existem postes e cruzetas de concreto, cruzetas

de madeira de reflorestamento, madeira compensada e de plstico reciclado, objeto deste

trabalho.

19

333... EEENNNGGGEEENNNHHHAAARRRIIIAAA DDDEEE PPPOOOLLLMMMEEERRROOOSSS 33..11.. DDeeffiinniioo ddooss ppoollmmeerrooss

A palavra polmero possui origem grega e significa muitas (poli) partes ou unidades

de repetio (meros). Os polmeros so materiais orgnicos ou inorgnicos, naturais ou

sintticos, de alto peso molecular, que possuem estrutura molecular formada pela repetio

de pequenas unidades, chamadas monmeros. Essa molcula inicial (monmero) vai

sucessivamente se unindo a outras, formando o dmero (duas molculas), o trmero (trs

molculas), o tetrmero (quatro molculas), at chegar ao polmero. Devido ao seu grande

tamanho, as molculas de um polmero so chamadas macromolculas.

O mecanismo qumico de formao dos plsticos possui o nome de polimerizao e

o processo pelo qual as unidades bsicas, os monmeros, so reunidos. H dois meios

comuns de fazer isso, conduzindo a estruturas moleculares intrinsecamente diferentes e,

portanto, a propriedades diferentes.

A polimerizao por adio implica em ligar os monmeros juntos numa cadeia, em

geral pela aplicao de calor e presso, na presena de um catalisador. Os monmeros

podem ser do mesmo tipo ou de diferentes tipos, como em copolimerizao. A

polimerizao por adio forma cadeias articuladas, com vrios graus de ramificao. Isso

normalmente conduz a materiais flexveis, com a rigidez aumentando com o comprimento

das cadeias e a quantidade de ramificaes. Tambm produz, geralmente, propriedades

"termoplsticas", permitindo que o material seja amolecido sob calor. Polimerizao por

condensao implica uma reao qumica entre dois monmeros, levando a uma

reconstituio de sua estrutura molecular e eliminao de um subproduto como gua, com

uma estrutura resultante, freqentemente mais interligada do que a produzida pela

polimerizao de adio.

Os termoplsticos, que so produzidos com polimerizao por adio ou por

condensao, amolecem sob a aplicao de calor.

33..22.. CCllaassssiiffiiccaaoo ddooss ppoollmmeerrooss Os polmeros, sob o ponto de vista das caractersticas tecnolgicas, podem ser

divididos em dois grandes grupos: os termoplsticos e os termofixos (termorrgidos).

33CC C

AA APP P TT T UU U

LL L OO O

20

Os termoplsticos, tambm chamados de plsticos, so os mais encontrados no

mercado. Podem ser amolecidos ou liqefeitos por aquecimento e endurecimento diversas

vezes, sem perder suas propriedades, e alguns podem at dissolver-se em vrios solventes.

Logo, sua reciclagem possvel, caracterstica bastante desejvel atualmente. Sob

temperatura ambiente, podem ser maleveis, rgidos ou mesmo frgeis. Possuem estrutura

molecular formada por molculas lineares dispostas na forma de cordes soltos, mas

agregados, como num novelo de l. Polietileno (PE), polipropileno (PP), poli(tereftalato de

etileno) (PET), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poli(cloreto de vinila) (PVC),

poli(metilmetacrilato) (PMMA) so alguns exemplos de termoplsticos. Segundo Agnelli

(2005), os termoplsticos podem ser subdivididos em convencionais, especiais e de

engenharia.

O grupo dos termoplsticos convencionais ou de grande uso formado por cinco

polmeros principais: polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno de alta densidade

(HDPE), polipropileno (PP), poli(cloreto de vinila) (PVC) e poliestireno (PS). Os

termoplsticos desse grupo representam aproximadamente 52,5% do consumo total de

todos os polmeros produzidos. Esses materiais so consumidos em grande escala e so

caracterizados pelo baixo custo, facilidade de processamento e aplicaes que no

requerem um alto desempenho mecnico.

O grupo dos termoplsticos especiais ou para aplicaes especiais formado por

poli(metacrilato de metila) PMMA (acrlico), politetraflor-etileno PTFE (Teflon), poli(cloreto

de vinilideno), poli(fluoreto de vinilideno), dentre outros. Representam aproximadamente 2%

do consumo total de todos os polmeros produzidos. Esses materiais so utilizados para

aplicaes especficas, no possuem um grande consumo e podem apresentar custo

elevado e dificuldades de processamento.

O grupo dos termoplsticos de engenharia formado pelos materiais caracterizados

como sendo os plsticos de alto desempenho, que apresentam diversas propriedades

importantes para aplicao em engenharia, tais como alta rigidez, dureza, tenacidade,

resistncia ao impacto, trmica e qumica, estabilidade dimensional, processabilidade sem

muitos problemas, grande variedade e possibilidade de aplicaes, dentre outras. O seu

consumo representa aproximadamente 6,5% do consumo total de todos os polmeros.

Com relao aos termorrgidos (ou termofixos), esse grupo representado pelos

plsticos rgidos, frgeis e estveis a variaes de temperatura. Esse tipo de material utiliza

o aquecimento para dar formato a uma pea apenas uma vez, visto que no pode mais

amolecer. O aquecimento do polmero acabado promove decomposio do material antes

de sua fuso, tornando sua reciclagem complicada. formada por uma estrutura com

21

ligaes cruzadas qumicas primrias entre macromolculas, formando uma rede, presos

por meio de numerosas ligaes, no se movimentando com tanta liberdade como nos

termoplsticos. Pode-se fazer analogia com uma rede de malha fina. Apresentam

aproximadamente 10% do consumo total de polmeros.

Alm das citadas anteriormente, existe um tipo de classificao que leva em conta as

caractersticas mecnicas dos polmeros. Sob o ponto de vista do comportamento mecnico,

os polmeros podem ser divididos em trs grandes grupos: elastmeros (ou borrachas),

plsticos e fibras.

Os elastmeros (borrachas) esto situados em uma classe intermediria entre os

termoplsticos e os termorrgidos: no so fusveis, mas apresentam alta elasticidade, no

sendo rgidos como os termofixos. Sua estrutura molecular similar do termorrgido, mas

h menor nmero de ligaes qumicas primrias entre as macromolculas. Esse tipo de

polmero pode ser estirado repetidamente e, aps a retirada do esforo mecnico, o material

volta rapidamente ao seu comprimento inicial, em virtude do baixo nmero de ligaes

moleculares. Possuem reciclagem complicada, devido incapacidade de fuso.

Os plsticos podem ser definidos como materiais orgnicos estveis nas condies

normais de uso, mas que, em algum estgio de sua fabricao, so fludos, podendo ser

moldados por aquecimento, presso ou ambos. Polietileno, polipropileno e poliestireno so

alguns exemplos de polmeros desse grupo.

As fibras so corpos em que a razo de aspecto [razo comprimento

(l)/espessura(d)] muito elevada. Os polmeros desse grupo geralmente so formados por

macromolculas lineares, orientadas longitudinalmente (no sentido do eixo da fibra).

Polisteres, poliamidas e poliacrilonitrila so exemplos de polmeros desse grupo.

Entre os termoplsticos existem diversas outras classificaes dos polmeros, que

no sero abordadas neste trabalho. As definies aqui apresentadas servem para situar o

material que ser utilizado no decorrer do trabalho.

33..33.. PPrroopprriieeddaaddeess ddooss ppoollmmeerrooss Os polmeros possuem diversas propriedades para avaliao de seu desempenho mecnico e podem ser divididas em: mecnicas, trmicas, eltricas, ticas, resistncia

qumica, dentre outras. Segundo Marczak (2004), os plsticos possuem algumas

caractersticas comuns que os diferenciam dos materiais usualmente empregados em

engenharia, como os metais. A quantificao e o emprego correto dessas propriedades so

em geral mais complexas do que para os materiais convencionais. No entanto, essa

22

diferenciao a principal responsvel pelo fato do comportamento em servio de peas

plsticas ser bastante distinto do relativo aos metais, por exemplo.

O peso outra caracterstica importante, j que plsticos so sempre mais leves que

os materiais cermicos e os metlicos, o que os torna particularmente atrativos para

diversos ramos industriais.

Neste captulo sero abordadas somente as propriedades de maior relevncia para a

aplicao dos polmeros como material para confeco de cruzetas.

O comportamento caracterstico dos plsticos em comparao com o dos materiais

metlicos usuais fica evidente pelas suas propriedades mecnicas. Segundo Marczack

(2004), a primeira distino que deve ser evidenciada o comportamento geometricamente

no-linear dos plsticos, isto , a relao carga versus deslocamento no linear, mesmo

que o material ainda no tenha ultrapassado seu limite de escoamento, ou seja, os plsticos

normalmente possuem grande flexibilidade, conforme o tipo de polmero e os aditivos

usados na sua formulao.

Segundo Chaves (1999), o comportamento mecnico de um polmero pode ser

caracterizado por suas propriedades de tenso versus deformao, ou seja, a partir do

momento em que se aplica uma tenso no polmero para deform-lo at provocar sua

ruptura.

De acordo com Rocha (1990), o comportamento dos materiais plsticos face s

solicitaes mecnicas frequentemente designado por viscoelstico. Assim, os plsticos

possuem caractersticas comuns aos slidos de Hooke e aos fludos Newtonianos e so

afetados pelo tempo de atuao das solicitaes e pela temperatura.

Em um ensaio, os parmetros ou as grandezas que caracterizam o comportamento

mecnico dos polmeros devem ser sempre associados s condies de temperatura e ao tempo

de solicitao da carga. De uma maneira geral, os erros mais comuns esto relacionados a

projetar componentes plsticos com nveis de tenso ou mdulos de elasticidade muito altos ou

que no levam em conta o efeito da temperatura.

As propriedades mecnicas, segundo Rocha (1990), podem ser citadas como:

- trao (mdulo de elasticidade, resistncia trao, alongamento na ruptura);

- flexo e compresso;

- cisalhamento e resistncia ao impacto;

- resilincia (capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente

e liber-la quando descarregado);

- desenvolvimento de calor em carregamento cclico;

23

- resistncia fadiga e outras propriedades mecnicas de longo prazo (fluncia e relao de

tenso);

- dureza;

- resistncia frico; e

- resistncia abraso.

33..33..11.. MMdduulloo ddee eellaassttiicciiddaaddee

O mdulo de elasticidade de um material responsvel em parte pela rigidez do

componente e, por isso, possui papel importante durante a seleo do material. No caso dos

plsticos, deve-se levar em conta que o mdulo de elasticidade muito mais suscetvel s

variaes de temperatura do que se est acostumado com outros materiais, tais como os metais

(Marczak, 2004). A figura 3.1 ilustra a comportamento de um polmero quando submetido

variao de temperatura.

Figura 3.1 - Ilustrao esquemtica dos diagramas versus de um polmero

com o aumento da temperatura. Fonte: Marczak (2004).

Mano e Mendes (1999) definem a elasticidade como uma caracterstica encontrada

em todos os materiais, tanto na compresso como na trao, que depende da natureza

qumica, da temperatura e da velocidade de deformao aplicada. Quanto deformao, ela

pode se apresentar sob duas formas: elstica (em faixa estreita ou larga) ou inelstica.

A deformao elstica em faixa estreita reversvel e possui alto mdulo de

elasticidade. Nesse tipo de deformao ocorre o afastamento ou a aproximao entre os

tomos e uma mudana entre os ngulos das deformaes qumicas. Seu comportamento

pode ser comparado ao de uma mola quando submetida trao, na qual, aps a retirada

da fora aplicada, a deformao totalmente recuperada, obedecendo Lei de Hooke, isto

, a deformao proporcional fora aplicada. Essa a deformao tpica dos metais,

mas tambm ocorre nos polmeros cristalinos, nos que esto abaixo da temperatura de

transio vtrea ou ento naqueles que possuem estrutura reticulada.

Aumento da Temperatura

24

A deformao elstica em faixa larga tambm reversvel, mas possui baixo mdulo

de elasticidade e depende da configurao molecular do material. Os polmeros possuem

cadeias moleculares longas e entrelaadas. Quando so aplicadas pequenas foras de

trao, ocorre um desembaraamento inicial das molculas, que depois disso passam a

reagir ao das foras. Nessa fase, a deformao pode ser totalmente recuperada. Essa

a deformao tpica da borracha natural vulcanizada, que possui estrutura reticulada.

A tabela 3.1 faz uma comparao quanto ao mdulo de elasticidade de alguns materiais.

Tabela 3.1 - Mdulos de elasticidade tpicos ( temperatura ambiente). Fonte: Marczak (2004).

Material (MPa)Compostos grafite-epxi 280000 Ao 210000 Alumnio 70000 Epxi reforado com fibra de vidro 40000 Polister reforado com fibra de vidro 14000 Nylons reforado com 30% de fibra de vidro 10000 Acrlicos 3500 Resinas epxi 3100 Policarbonato 3100 Acetal copolmero 2900 Polietileno de alto peso molecular 700

33..33..22.. RReessiissttnncciiaa ttrraaoo

A resistncia dos polmeros dependente da temperatura, da velocidade de

carregamento e de alguns fatores ambientais, como a umidade. A Fig.3.2a ilustra o efeito da

velocidade de carregamento sobre a resistncia, enquanto a Fig.3.2b mostra a influncia da

umidade em materiais como o Nylon.

(a) (b)

Figura 3.2 - Comportamento esquemtico da resistncia de polmeros em funo da velocidade de carregamento e da umidade.

Fonte: Marczak (2004).

25

33..33..33.. RReessppoossttaa ddeeppeennddeennttee ddoo tteemmppoo ((fflluunncciiaa ee rreellaaxxaaoo ddee tteennssoo))

Segundo Marczak (2004), fluncia (creep) definida como sendo uma deformao

continuamente ativa sobre o material, mesmo para uma tenso constante. uma

caracterstica tpica dos plsticos por ocorrer mesmo temperatura ambiente, embora o

fenmeno seja muito influenciado pela temperatura. Uma vez aplicado um nvel de tenso,

material responde imediatamente, de forma similar dos metais. Se a carga mantida por

um longo tempo, entretanto, o processo de deformao continua lentamente (Fig. 3.3).

Portanto, a fluncia se refere a uma adaptao contnua do material carga

aplicada. Quando a fluncia linear, possvel definir um parmetro chamado mdulo de

fluncia (J).

( )( ) tJ t

= (3.1)

esse parmetro que o projetista deve empregar para prever corretamente o

comportamento de materiais plsticos. Seu valor deve ser escolhido dos catlogos de

fabricantes, e leva em conta uma estimativa da carga aplicada, sua durao e as condies

de temperatura presentes durante a operao do componente.

Figura 3.3 - Ilustrao do fenmeno da deformao por fluncia. Fonte: Marczak (2004).

Algumas cargas, como fibra de vidro e carbono, quando incorporadas matriz

polimrica, reduzem o fenmeno da deformao por fluncia.

Ao se projetar com plsticos deve-se lembrar que a fluncia afetada por:

- Carga (tenso);

- Temperatura;

- Durao da carga; e

26

- Ambiente (umidade e elementos qumicos agressivos).

Para tenso constante, a equao (3.1) mostra que se a deformao aumentada, J

deve ser reduzido. Como a deformao cresce com o tempo e com a temperatura, o mdulo

de fluncia decresce com essas variveis.

Em uma situao inversa, em que a deformao mantida constante, verifica-se que

a tenso vai diminuindo com o tempo. Esse comportamento reflete um rearranjo das cadeias

do polmero para se adaptar carga aplicada, e chamado de relaxao de tenso.

Considerando como a deformao, ao longo do tempo, e como sendo a tenso

aplicada, o mdulo de relaxao pode ser considerado anlogo ao mdulo de fluncia e ser

definido por:

( )( ) tY t

= (3.2)

Essa varivel tem grande importncia em aplicaes como vedaes, espaadores,

encaixes sob presso e peas parafusadas, j que a carga de montagem no mantida ao

longo da vida do componente.

comum os fabricantes recomendarem uma tenso mxima de projeto, que tem

uma aplicao similar do mdulo de fluncia. A tenso de projeto recomendada para

peas de acrlico injetadas de 3,5 MPa, mesmo com a tenso de ruptura podendo chegar

a 70 MPa. Os projetistas normalmente prestam ateno a este ltimo valor, devidamente

reduzido por um coeficiente de segurana, mas isto pode no ser suficiente para evitar

danos no componente.

Portanto, apenas tenses/deformaes muito baixas apresentam relaxao/fluncia

desconsiderveis. A Fig. 3.4 ilustra o alongamento de um material plstico em funo do

tempo, em vrios nveis de tenso constante. No apenas o alongamento

significativamente reduzido quando a tenso aplicada tambm o , como somente para

tenses muito baixas atinge-se um patamar em que a fluncia desprezvel. Esses nveis

de tenso devem ser empregados como um critrio de projeto. Nas publicaes

especializadas, os dados de fluncia so normalmente apresentados em grficos

logartmicos, com a escala de tempo podendo chegar a milhares de horas.

27

Figura 3.4 - Alongamento em funo do tempo para diversos nveis de tenso. Fonte: Marczak (2004).

Problemas que apresentam caractersticas de fluncia e de relaxao no podem ser

resolvidos por relaes constitutivas lineares, como a Lei de Hooke. Essa classe de

problemas pertence viscoelasticidade, e precisa ser modelada com relaes apropriadas.

Sob efeito de temperatura, a maior parte dos materiais apresenta algum grau de

viscoelasticidade. No caso de plsticos, no entanto, quase todos os polmeros amorfos se

comportam viscoelasticamente. Por outro lado, esse comportamento viscoelstico pode ser

aproximado como linear, na maior parte dos casos.

dd)) CCooeeffiicciieennttee ddee PPooiissssoonn

Segundo Marczak (2004), o coeficiente de Poisson depende da temperatura e do

tempo de aplicao da carga. Sua faixa de variao vai de 0,2 at 0,4 para a maioria dos

plsticos temperatura ambiente, mas esses valores so suscetveis a grandes variaes,

devido composio qumica e s aditivaes dos polmeros.

ee)) RReessiissttnncciiaa ffaaddiiggaa

A resistncia dos plsticos fadiga depende da composio qumica do polmero, da

temperatura, da freqncia do carregamento e da amplitude das tenses e das

deformaes, pois essas variveis podem favorecer uma manifestao maior dos

fenmenos viscoelsticos.

Para uma estimativa inicial da vida dos plsticos, pode-se usar as curvas de vida x N. Essas curvas no fornecem uma anlise precisa, mas podem ser usadas para se obter

(anos)

28

uma estimativa de vida, principalmente para materiais que suportam altos ciclos (N > 103). A

figura 3.5 ilustra curvas x N para alguns plsticos comuns.

Figura 3.5 - Curvas x N para alguns termoplsticos temperatura ambiente. Fonte: Marczak (2004).

Essa escala logartmica pode ser aproximada pela curva de Whler, que dada pela

expresso 3.3, na qual os valores C e m so tabelados: mNC.= (3.3)

Devido ao fato dos plsticos apresentarem problemas de fadiga de baixo ciclo e,

devido a esse fato, no ser recomendado o controle de amplitude de tenso, utilizam-se as

curvas de Coffin-Mason (Fig. 3.6), que relacionam os ciclos de solicitao (at a ruptura)

com a deformao do material, e que podem ser aproximadas pela equao 3.4.

mNC )2(

2=

(3.4)

Outro parmetro relacionado fadiga dos plsticos a possibilidade de ocorrncia

de rupturas superficiais (trincas) nesses materiais, aps uso prolongado ou quando ele

submetido a intempries. Nesses casos, aps o aparecimento das trincas, a previso de

vida depende da velocidade de propagao dessas trincas. A taxa de propagao das

trincas dada pela Lei de Paris (Eq. 3.5), em que a o comprimento da trinca, K a

amplitude do fator de intensidade de tenses da trinca e A e m so valores fornecidos pela

tabela 3.2 (Marczak, 2004).

mKAdNda

= '. (3.5)

29

Tabela 3.2 - Valores tpicos para as constantes. Fonte: Marczak (2004).

Material A m Ao de baixa liga 0,42x10-11 3,00 Alumnio 4,56x10-11 2,90 Cobre 0,34x10-11 3,90 Nylon 6-6 1,50x10-8 3,20 PMMA 2,30x10-5 4,70 Policarbonato 9,50x10-5 2,60 PPO 4,70x10-6 3,00 Poliestireno 3,10x10-5 2,20 PVC 2,90x10-6 1,50

Figura 3.6 - Curvas x N para alguns termoplsticos temperatura ambiente.

Fonte: Marczak (2004).

ff)) RReessiissttnncciiaa aaoo iimmppaaccttoo ((tteennaacciiddaaddee))

Segundo Marczak (2004), muitos plsticos apresentam elevada resistncia ao

impacto, e tal propriedade utilizada na substituio de outros materiais, como, por

exemplo, na substituio do vidro na fabricao de faris para carros, janelas de carros,

dentre outros.

Ao se projetar um novo produto, indispensvel conhecer todas as propriedades do

material e realizar ensaios sob todas as condies de uso pretendidas, para validar a sua

utilizao. No existe um nico ensaio para predizer o comportamento de plsticos ao

impacto, sob as diversas condies de uso possveis. Ento, a resistncia ao impacto

comumente avaliada adaptando-se ensaios de impacto usados em outros materiais, como

30

os metlicos: Izod, Charpy, Gardner, impacto trao, teste de temperatura de fragilizao,

dentre outros. (Fig. 3.7).

Figura 3.7 - Equipamento utilizado para ensaio de impacto.

A resistncia ao impacto sofre grande alterao com a temperatura. A figura 3.8

ilustra a rpida mudana nesse comportamento com a variao de temperatura, para alguns

polmeros comuns.

Figura 3.8 - Exemplos do efeito da temperatura sobre resistncia ao impacto.

Fonte: Marczack (2004).

33..44.. PPrroopprriieeddaaddeess ttrrmmiiccaass As propriedades trmicas dos polmeros esto relacionadas sua estrutura e

composio molecular. Quando submetidos a temperaturas muito baixas, os plsticos so

frgeis. medida que a temperatura aumenta, o material adquire certa elasticidade, at que,

em elevadas temperaturas, se funde (Rocha, 1990).

Talvez a mais importante propriedade trmica dos plsticos seja seu baixo ponto de

fuso, que varia da temperatura ambiente at 250C, embora alguns plsticos especiais

exijam at 400C. Disso decorre o baixo consumo de energia para conformao, com

31

reflexos bvios nos custos de produo. Por outro lado, componentes plsticos tendem a

mudar consideravelmente suas dimenses, em relao a outros materiais como o ao ou

mesmo o alumnio, quando sofrem variaes de temperatura.

Portanto, essas propriedades devem ser consideradas em todo projeto de elementos

plsticos, principalmente em aplicaes de maior preciso (Marczak, 2004).

333...444...111... PPPooonnntttooo dddeee fffuuusssooo cccrrriiissstttaaallliiinnnooo (((TTTfff))) eee ttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrraaa dddeee tttrrraaannnsssiiiooo vvvtttrrreeeaaa (((TTTggg)))

A temperatura de fuso cristalina (Tf), para os polmeros semicristalinos, e a temperatura

de transio vtrea (Tg), para os polmeros amorfos, so as principais transies trmicas dos

polmeros, pois esto associadas com a mudana do estado fsico dos materiais.

A Tg, em termoplsticos amorfos, geralmente est associada temperatura limite de

trabalho desses materiais e muito importante, pois diversas propriedades fsicas e

mecnicas apresentam grande reduo antes de atingir seu valor mximo.

A Tf de termoplsticos semicristalinos definida como sendo a temperatura na qual

os ltimos vestgios da estrutura cristalina do polmero desaparecem sob aquecimento, a

qual pode ser monitorada por diversas tcnicas experimentais, como difrao de raios-X,

calorimetria exploratria diferencial, dentre outras (Souza, 2005).

333...444...222... EEEnnntttaaalllpppiiiaaa

A entalpia pode ser definida como a quantidade total de calor necessrio para mudar

a temperatura de um material de massa unitria, de uma temperatura de referncia

(geralmente, 20C) para outra temperatura.

333...444...333... CCCoooeeefffiiiccciiieeennnttteee dddeee eeexxxpppaaannnsssooo tttrrrmmmiiicccaaa

A tabela 3.3 mostra alguns valores tpicos de coeficientes de expanso trmica ()