Artigo Científico - AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE UM COMPÓSITO PARTICULADO COMO REPARO EM COLUNAS DE MADEIRA DA ESPÉCIE EUCALYPTUS GRANDIS

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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes 
Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG 
Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 
AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE UM COMPÓSITO PARTICULADO COMO 
REPARO EM COLUNAS DE MADEIRA DA ESPÉCIE EUCALYPTUS GRANDIS 
 
Felipe Moretti Leila
(1)
 (felipe_leila@hotmail.com), André Luís Cerávolo de Carvalho 
(1)
 
(ceravoloandre@gmail.com),Roberto Bianchini Layber
(1)
(roberto.bianchini@hotmail.com), André 
Luis Christoforo
(1)
 (alchristoforo@ufsj.edu.br),Marcio Eduardo Silveira
(1)
 (msilveira@ufsj.edu.br) 
 
(1) Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ);Depto de Eng. Mecânica (DEMEC), 36.307-352, Campus Santo 
Antônio (CSA), São João del-Rei – MG 
 
RESUMO:Colunas são elementos estruturais comumente empregados nas construções civis. Dos 
materiais utilizados na sua confecção destaca-se o emprego da madeira, por ser um material de fonte 
renovável, de baixa densidade e de desempenho mecânico satisfatório. As estruturas construídas com 
madeira, quando não tratadas corretamente, podem apresentar problemas que venham a 
comprometer as finalidades para as quais foram projetadas, requerendo para tanto, o emprego de 
técnicas e metodologias de reparos. Este trabalho objetiva apresentar a aplicação de um material 
compósito particulado de epóxi reforçado com cimento Portland branco estrutural, como forma de 
reforço em colunas de madeira. O estudo do desempenho mecânico no emprego deste material em 
colunas é essencialmente numérico, sendo fundamentado no Método dos Elementos Finitos. A 
madeira utilizada na simulação é o Eucalipto (Eucalyptus grandis), tendo suas propriedades 
mecânicas obtidas em literaturas especializadas na área de estruturas de madeira. Os resultados 
obtidos da análise numérica indicam que é aplicável o uso de um material compósito como reparo 
em colunas de madeira de Eucalyptus. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Materiais Compósitos, Reforço Estrutural, Método dos Elementos Finitos. 
 
EVALUATING THE USE OF A COMPOSITE PARTICLE AS REPAIR COLUMNS 
WOOD SPECIES EUCALYPTUS GRANDIS 
 
ABSTRACT: Beams are structural elements commonly used in structure for construction designs. 
The use of wood as structural elements is very important because it is a material of renewable source, 
low density and satisfactory mechanical performance. When the wood surface is not properly treated, 
the structure can be destroyed not only by environmental conditions but also the attack of insects 
compromising the design. This paper presents the development of a particulate composite material of 
epoxy reinforced with white Portland cement in order to be applied as repair of wooden columns. The 
mechanical performance of this material into wood beams is essentially numerical, based on the 
Finite Element Method. The wood used in the simulation is the Eucalyptus (Eucalyptus grandis). The 
elastic properties were obtained from the specialist literature in the field of timber structures. The 
numerical results indicate that it is applicable to use a composite material as repair columns of 
Eucalyptus. 
 
KEYWORDS: Composite Material, Structural Reinforcement, Finite Element Method. 
 
 
2°COEN – UFSJ 
12° CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
 
Colunas são elementos fundamentais na maioria das estruturas. Na construção civil, 
destaca-se o emprego da madeira por ser um material de fonte renovável, tendo como uma de 
suas principais características a excelente relação entre resistência e densidade que, segundo 
Calil et al. (2003), esta chega a ser quatro vezes superior quando comparada ao aço. 
A madeira, que até início do século XX representava um dos principais materiais 
estruturais na construção, vem sendo gradualmente substituída por outros materiais. Algumas 
das causas, segundo Balseiro (2007), é o desconhecimento dos profissionais do ramo sobre as 
boas características da madeira e a sua correta utilização, e limitação das secções comerciais 
disponíveis que não permite a utilização de grandes vãos. 
 As construções elaboradas com madeira requerem manutenção e uso de forma 
apropriada. Segundo Machado (2000), peças de madeira estão suscetíveis à variabilidade de 
suas propriedades mecânicas, devido a fatores naturais como condições de plantio e genética 
da espécie. Além disso, de acordo com Emerson (2004), muitos componentes estruturais de 
madeira veem experimentando uma significativa deterioração devido à umidade, danos 
causados por insetos, fungos. 
 De acordo com Fiorelli (2002), problemas relacionados à baixa eficiência de 
elementos estruturais, aumento da sobrecarga e degradação por envelhecimento vem 
motivando o desenvolvimento de pesquisas envolvendo o estudo de reforços e recuperação 
para estruturas. 
 Recentemente, materiais alternativos vêm sendo utilizados para recuperar e reforçar 
estruturas, dando destaque ao uso de materiais compósitos, principalmente fibras reforçadas 
com polímeros, que são materiais flexíveis, altamente resistentes e que podem substituir com 
vantagens, em alguns casos, as técnicas convencionais de reforços como o emprego de 
reparos com aço e parafusos, (Miotto e Dias, 2006). 
 Neste contexto, este trabalho objetiva a avaliação do emprego de uma blenda 
polímero-cerâmica constituída de resina epóxi e de cimento Portland branco estrutural como 
reforço em colunas de madeira submetidas a cargas compressivas axiais. 
 A verificação do desempenho mecânico do conjunto (coluna de madeira com a adição 
do compósito) foi realizada com o auxílio do Método dos Elementos Finitos (MEF), através 
da simulação do modelo mecânico de compressão em uma peça de madeira de Eucalipto com 
dimensões estruturais. Para tanto, a blenda é aplicada nas cavidades criadas na superfície da 
coluna, de maneira a reproduzir a existência de falhas no material madeira. 
 
2. REPAROS EM COLUNAS DE MADEIRA 
 
 As ideias de reforçar estruturas de madeira não são recentes e ao longo do tempo estas 
vem sendo desenvolvidas e aperfeiçoadas. De acordo com Mettem e Robinson (1991), dentre 
os métodos mais empregadas na recuperação de estruturas de madeira destacam-se os 
Tradicionais, onde a estrutura é recuperada com novas peças que substituem as degradadas, 
 
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com dimensões e propriedades semelhantes às originais, os Mecânicos, em que os reparos 
estruturais são feitos utilizando conectores metálicos e o Método Adesivo, onde são utilizadas 
variações de resina combinadas com reforços estruturais. 
 Quanto aos métodos tradicionais, de acordo com Jasieńko J (2003), a substituição de 
peças danificadas por novas estruturas à medida que perdem sua resistência, muitas vezes é 
precipitada, visto que o reparo poderá torná-la tão resistente quanto uma nova estrutura, com a 
vantagem de o trabalho ser mais fácil e econômico. Além disso, segundo Carvalho (2005), em 
construções históricas, devido às grandes dimensões das peças danificadas, essa prática vem 
encontrando limitações, que vão desde culturais, levando em conta o valor histórico agregadoàs peças, até econômicas e ambientais, pois são espécies de madeiras que não estão em 
abundância como antigamente. 
 Em relação aos métodos mecânicos, Teobaldo (2004) avaliou, por meios de pesquisas 
bibliográficas e estudos de casos, o emprego de aço como reforço em estruturas de madeira de 
edificações históricas. Concluiu-se que o emprego do aço nessas estruturas não apresenta 
restrições e limitações, demonstrando-se ideal seu emprego. Entretanto, devido à corrosão, o 
aço apresenta alterações em suas propriedades mecânicas podendo comprometer a estrutura. 
 Muitos estudos utilizando o método adesivo vêm sendo realizados no campo de 
recuperação e reforço, principalmente no que diz respeito aos materiais utilizados no reforço e 
na interação reforço/coluna. 
 Segundo Ritter (1990), a técnica mais eficiente para recuperar peças de madeira é 
aquela que utiliza resina epóxi. O epóxi é um gel de betume, facilmente maleável, podendo 
ser injetado manualmente nas partes danificadas, promovendo o aumento da resistência 
mecânica da peça estrutural. Este material é usado para preencher rachaduras superficiais 
(atacadas por insetos) e espaços vazios. O epóxi, além de vedar a área danificada, reduzindo o 
aparecimento de futuras rachaduras, pode ainda aumentar a capacidade de carga da estrutura. 
 Recentemente, visando-se o estudo do reparo e reforço em estruturas de madeira, 
muitos trabalhos estão sendo desenvolvidos, dando ênfase ao emprego de fibras reforçadas 
com polímeros (FRP). Segundo Kim (2010) a aplicação do FRP como reforço é uma técnica 
promissora, ainda mais quando se deseja o aumento de carga e rigidez da estrutura de 
madeira. Jankowski (2010) investigou experimentalmente o fortalecimento de peças de 
madeira, de aproximadamente 100 anos de uso, reforçadas com tiras de FRP. Os resultados 
satisfatórios levaram os autores a concluir que essa técnica é de grande valia em restaurações, 
entretanto, lembraram que a eficácia do reforço depende da qualidade do vínculo madeira - 
FRP, o que significa que uma preparação da superfície de colagem desempenha um 
importante papel. 
 Zhang (2012) avaliou a aplicação de compósito dessas fibras em colunas de madeira 
danificadas, com presença de rachaduras, de forma a repará-las. A dimensão das fitas de FRP 
e o espaçamento entre elas foram variados e os resultados obtidos mostraram que em algumas 
condições as colunas recuperaram em até 20% da sua capacidade de carga após o reparo. 
 Najm (2007) investigou experimentalmente o comportamento de colunas de madeira 
envolvidas por FRP. As colunas receberam a aplicação do compósito em toda a superfície e 
 
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então foram submetidas ao ensaio de compressão axial. Observou-se que as colunas 
reforçadas com compósito, quando comparadas às colunas não reforçadas, obtiveram uma 
pequena variação nos valores de resistência a compressão máxima, resultando em uma maior 
confiabilidade. 
 Pensando em alternativas de aplicações práticas e eficientes, este trabalho propõe o 
emprego de uma blenda polímero-cerâmica projetada para resistir a forças compressivas, a ser 
inserida nas cavidades das colunas. 
 Algumas características peculiares justificam o interesse em se estudar o emprego de 
materiais compósitos particulados, solicitados por forças compressivas, como reforço em 
colunas de madeira. 
 No caso do emprego de compósitos laminados, a eficiência do reparo é altamente 
dependente da eficácia do adesivo usado. Por definição, adesivo é uma substância capaz de 
unir materiais através do contato entre suas superfícies. Porém a capacidade de unir materiais 
não é uma propriedade intrínseca da substância, mas dependente do contexto em que a mesma 
é utilizada (Fiorelli, 2002). 
 Balseiro (2008) realizou ensaios de colagem em corpos-de-prova de compósitos de 
fibra de carbono em peças de madeira utilizando resina epóxi Sikadur®, com objetivo de 
verificar a influência do tamanho da área de colagem e das condições higrotérmicas. Nos 
corpos-de-prova que foram colados com um teor de água elevado a resistência apresentada foi 
muito reduzida ou nula, indicando que a presença de umidade nas peças de madeira durante a 
sua colagem é muito prejudicial. Já os corpos-de-prova que mostraram a influência do 
comprimento de colagem na ligação tiveram valores superiores aos esperados, sendo os de 
maior comprimento e área de colagem os que apresentaram maior resistência ao cisalhamento. 
 Neste trabalho a blenda polímero-cerâmico é injetada na cavidade da face da coluna, 
criada para representar um defeito na madeira, como por exemplo, um nó na peça ou algum 
outro tipo de falha natural. Esta condição implica que a blenda estará confinada na madeira 
por forças compressivas, tornando a sua eficiência menos dependente da adesão entre a resina 
e a madeira. Ainda, tratando-se da consideração de projeto, na condição de pequenos 
deslocamentos (linearidade geométrica) e comportamento linear físico para os materiais, tem-
se maior segurança na integridade da interface entre a madeira e o compósito, permitindo-se a 
consideração de adesão perfeita entre os materiais. 
 
3. BLENDA POLÍMERO-CERÂMICA 
 A blenda polímero-cerâmica utilizada foi desenvolvida para resistir a forças de 
compressão, constituindo-se de um polímero termorrígido de alta resistência mecânica 
adicionado em cimento Portland CP-V sem adição de água. Somente uma formulação de 
referência, i.e., pasta de cimento puro, foi confeccionada com água para efeito de comparação. 
Os compósitos cimentícios em estudo foram fabricados com as seguintes proporções da fase 
polimérica: 100% (0% de cimento), 75%, 50%, 25% e 0% (100% de cimento). As condições 
experimentais analisadas nesta investigação podem ser observadas na Tabela 1, e ilustradas 
pela Figura 1. 
 
 
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TABELA 1. Condições experimentais. 
 Polímero Cimento H2O 
C1 100% * * 
C2 75% 25% * 
C3 50% 50% * 
C4 25% 75% * 
C5 * 100% 30% 
 
 
 
FIGURA 1. Foto dos compósitos investigados no experimento. 
 
 O cimento Portland utilizado no experimento foi o CPB-40, do fabricante Cauê - 
indústria Brasileira. Já a resina epóxi é constituída de duas partes, sendo uma denominada 
araldite e a outra endurecedor. O Araldite usado foi LY 1564BR e o endurecedor Aradur 
2954. A proporção da mistura em massa utilizada foi de 74% de araldite para 26% de 
endurecedor. 
 O ensaio de resistência mecânica à compressão foi baseado nas recomendações da 
norma britânica (BS-12390, 2002). Sete corpos-de-prova foram fabricados para cada condição 
experimental. Os testes foram realizados de forma aleatória. Os compósitos investigados 
foram medidos para um período de cura de 28 dias. Os módulos de elasticidade e resistência à 
compressão foram determinados em função dos gráficos tensão-deformação obtidos dos 
ensaios de compressão. A densidade volumétrica dos compósitos foi calculada dividindo a 
massa do compósito seco (após 24 horas na estufa a 105°C) pelo volume das amostras (28 
mm de diâmetro e 56 mm de altura). 
 A Tabela 2 exibe as médias e os desvios-padrões (DP)dos resultados de resistência à 
compressão (Rc), módulo de elasticidade longitudinal (E) e densidade volumétrica (Dv) para 
as condições experimentais investigadas. 
 
TABELA 2. Resultados experimentais médios e desvios-padrões. 
 Rc (MPa) DP E (GPa) DP Dv (g/cm3) DP 
C1 64,33 0,23 23,76 1,43 1,17 0,01 
C2 67,07 0,56 25,29 1,52 1,34 0,02 
C3 98,80 2,11 33,98 4,69 1,64 0,01 
C4 81,73 2,55 46,27 4,65 1,84 0,02 
C5 28,93 1,90 47,88 1,63 1,92 0,03 
 
 O material selecionado para a simulação foi o compósito C3, constituído de 50% de 
fase polimérica e 50% de fase cimentícia. A relação resistência mecânica e densidade 
volumétrica apresentada por este compósito é bastante promissora, exibindo elevada 
resistência mecânica, baixa densidade, além de alta tenacidade, comparado com os 
 
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compósitos C4 e C5. Segundo Panzera et al. (2010), a análise por FTIR (Infra-Vermelho por 
Transformada de Fourier) comprovou que há hidratação dos grãos de cimentos pela resina 
epoxídica mesmo sem adição de água. O comportamento elasto-plástico do compósito C3 
pode ser resultante de uma interação (pontes de hidrogênio) entre a resina e portlandita 
formada, aliada a uma baixa porosidade que evita o início de fissuras e prolonga a 
elasticidade. 
 
4. METODOLOGIA 
 
4.1 Propriedades Estruturais da Madeira 
 
 A madeira adotada para simulações foi o Eucalipto (Eucalyptus grandis), por ser, 
dentre as madeiras catalogadas pela norma NBR 7190 (1997), a de caráter renovável e que 
apresenta uma crescente demanda na sua aplicação. 
 Para a avaliação numérica da madeira torna-se necessário o conhecimento do módulo 
de elasticidade (Ec,0), para tanto, estas variáveis foram obtidas do documento normativo 
Brasileiro (NBR 7190:1997). Sendo módulo de elasticidade à compressão paralela da madeira 
Eucalipto igual a Ec,0 = 12813 MPa. 
 Ainda sobre a madeira, a mesma é tratada como material isotrópico. Esta consideração 
é comumente utilizada em projetos estruturais, visto que a norma NBR 7190 (1997) não faz 
referências sobre os procedimentos de cálculo para determinação dos módulos de elasticidade 
longitudinal (E) nas três direções, longitudinal, radial e tangencial, nem para os módulos de 
elasticidade transversais (G) e os respectivos coeficientes de Poisson ( ) do material. De 
forma empírica, neste documento normativo, o módulo de elasticidade transversal da madeira 
é obtido pela equação G = E/20. Esta relação quando substituída na equação que estabelece a 
igualdade entre módulo de elasticidade longitudinal e transversal para materiais isotrópicos 
(G = E/[2∙(1+ )]) ultrapassa os limites para o coeficiente de Poisson, podendo extrapolar o 
valor máximo de 0,50 em dezoito vezes. Desta forma, aqui foi considerado nulo o valor de 
Poisson da madeira nas simulações, sabido também da sua pequena influência em projetos de 
vigas sujeitas à flexão. 
 Para a blenda da condição C3, ver Tabela 2, o módulo de elasticidade utilizado nas 
simulações juntamente com o valor de resistência à compressão são respectivamente iguais a 
33,98 GPa e 98,80 MPa. O valor do coeficiente de Poisson para o material compósito foi 
adotado como sendo o da resina epóxi que, segundo Daniel e Ishai (1994), este valor é 
aproximadamente igual a 0,35. 
 Como comentado anteriormente, as simulações numéricas são desenvolvidas com o 
intuito de verificar a eficiência do emprego do material compósito em colunas de madeira de 
dimensões estruturais, sendo avaliadas através do modelo de compressão axial (ver Figura 2). 
 
 
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FIGURA 2. Ensaio de compressão. 
 
 As dimensões da peça de madeira, comprimento, altura e largura são respectivamente 
iguais a 3000 mm, 200 mm e 200 mm. Depois de selecionadas estas dimensões, foram 
definidas as dimensões A e B da cavidade a ser “retirada” da parte central da coluna, como 
mostra a Figura 3. Os valores de A e B utilizados nas simulações são mostrados na Tabela 3. 
 
 
 
 
FIGURA 3. Dimensões a serem variadas 
 
TABELA 3. Condições utilizadas nas simulações 
 
 
 
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 Dessa forma as simulações consistem em avaliar nove condições, uma com a peça 
íntegra, sem a presença de defeitos, e oito para as peças com defeitos, sendo quatro sem a 
presença de material compósito e quatro com o material. Os ensaios numéricos foram 
denominados como D1, D2, D3, D4, de acordo com as dimensões da cavidade, ver Tabela 3. 
A presença de defeitos e o emprego ou não do compósito como reforço, são ilustrados na 
Figura 4. 
 
 
 
 
FIGURA 4. Representação das colunas sem defeito, com defeito/sem compósito e com 
defeito/com compósito. 
 
4.2 Simulação numérica - Método de Elementos Finitos 
 
 As simulações numéricas das colunas de madeira com e sem reforços foram 
desenvolvidas com o emprego de elementos finitos com o auxílio do software Altair 
Hyperworks
®
. As malhas de elementos finitos foram construídas com elementos hexaédricos 
com seis graus de liberdade por nó e interpolação linear. 
 A condição de contorno utilizada foi engaste na base e no topo da coluna. Foi utilizada 
uma malha de elementos finitos de geometria hexaédrica com dimensões de 20x20x20mm 
para a madeira e para a blenda, assim como ilustrado na Figura 5. 
 
 
 
FIGURA 5. Geometria da malha utilizada. 
 
 O valor da carga adicionada para a simulação foi unitária. Esta serviu para analisar a 
carga crítica de flambagem. 
 
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5. ANÁLISE DOS RESULTADOS 
 
 As simulações na coluna de madeira foram analisadas avaliando a carga crítica de 
flambagem. A Figura 6 mostra o primeiro modo de flambagem das vigas (natural e com 
reforço). 
 
 
FIGURA 6. Gráfico do estado crítico de tensão na coluna 
 
 O valor da carga crítica de flambagem obtida com a coluna íntegra, sem presença de 
defeitos, foi de 7259,9 KN. A partir desse valor foram analisadas as dimensões dos defeitos e 
a aplicação de compósito nesses defeitos. Os valores obtidos nas simulações são 
demonstrados na Tabela 4. 
 
TABELA 4. Análise da carga crítica de flambagem 
. 
 
Os resultados apresentados no gráfico da Figura 7 demonstram que a aplicação do 
compósito na estrutura analisada, embora não seja melhor ou igual à propriedade anterior, 
ainda sim apresenta uma alta eficiência comparada com a estrutura com defeito e sem reparo. 
 
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FIGURA 7. Carga crítica de flambagem aplicada x dimensões dos defeitos 
 
 
CONCLUSÕES 
 
A blenda polímero-cerâmica utilizada foi desenvolvida para resistir a forças de 
compressão. Este material se difere dos demais uma vez que investiga o efeito da adição de 
um polímero termorrígido de alta resistência mecânica, em pastas cimentícias sem adição de 
água. 
Com o propósito de verificar a aplicação desse material compósito como reparo em 
colunas de madeira, a análise computacional do método de elementos finitos, para o caso de 
compressão axial, demostrou que a peça com reparo resiste a uma carga crítica de flambagem 
maior quando comparado àpeça sem reparo. 
Quando comparado com a peça íntegra, a peça com compósito apresenta uma 
resistência similar. Embora esta resistência não seja maior ou igual, pode ser considerável 
viável o reparo, não sendo então necessária a substituição da peça defeituosa por outrasem 
defeitos. 
Isso indica que o compósito utilizado pode ser bastante eficiente quando utilizado para 
esses fins. 
 Para próximos estudos, faz-se necessário uma análise mais precisa da tensão de 
ruptura dos materiais em questão, compósito e madeira, com o objetivo de verificar se 
também é aplicável o reparo com compósito em colunas de madeira. Em trabalhos futuros a 
análise mútua entre tensão e flambagem definirá a real aplicação de reparo em colunas com os 
defeitos estudados, tais fatos decorrem da madeira ser um material frágil podendo então ser 
observado uma falha compressiva antes de uma flambagem. 
 
 
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