UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS DESENVOLVIMENTO DE TRELIÇAS PLANAS DE BAMBUS DE PEQUENO DIÂMETRO COM BIOCONEXÕES COMPÓSITAS Autora: Cinthia Aparecida Carneiro Lana Prof. Orientador: Dr. Luís Eustáquio Moreira Belo Horizonte, Maio 2016 ii UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS "DESENVOLVIMENTO DE TRELIÇAS PLANAS DE BAMBUS DE PEQUENO DIÂMETRO COM BIOCONEXÕES COMPÓSITAS" Cinthia Aparecida Carneiro Lana Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de "Mestre em Engenharia de Estruturas". Comissão Examinadora: ____________________________________ Prof. Dr. Luís Eustáquio Moreira DEES-UFMG (Orientador) ____________________________________ Prof. Dr. Francisco Carlos Rodrigues DEES - UFMG __________________________________ Profa. Dra. Maria Carmem Couto Ribeiro DEMEC - UFMG ____________________________________ Prof. Dr. Conrado de Souza Rodrigues CEFET – MG ____________________________________ Prof. Dr. José Luiz Mendes Ripper PUC - Rio Belo Horizonte, 24 de maio de 2016 Lana, Cinthia Aparecida Carneiro. L243d Desenvolvimento de treliças planas de bambus de pequeno diâmetro com bioconexões compósitas [manuscrito] / Cinthia Aparecida Carneiro Lana. – 2016. xviii, 130 f., enc.: il. Orientador: Luís Eustáquio Moreira. Dissertação (mestrado) Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Engenharia. Anexos: f. 122-130. Bibliografia: f. 118-121. 1. Engenharia de estruturas - Teses. 2. Bambu - Teses. 3. Acoplamentos - Teses. 4. Gomas e resinas - Indústria - Teses. 5. Processos de fabricação - Teses. I. Moreira, Luis Eustáquio. II. Universidade Federal de Minas Gerais. Escola de Engenharia. III. Título. CDU: 624(043) iii D E D I C A T Ó R I A Aos meus pais, Antônio Carlos e Romilda por todo o carinho, compreensão e dedicação durante essa trajetória. A G R A D E C I M E N T O S Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Luís Eustáquio Moreira por ter aceitado e encarado este desafio comigo mesmo diante das dificuldades, tornando-se além de professor, um grande amigo. A minha família que sempre esteve do meu lado, me apoiando em grandes decisões e me incentivando a enfrentar os desafios. Especialmente aos meus pais Antônio Carlos e Romilda, por me incentivarem a superar meus medos e persistir em meus objetivos. A minha querida prima Lorena, um exemplo de pessoa e profissional que sempre esteve presente em minha vida, me dando suporte, atenção, cuidado e carinho. Ao meu namorado Alexandre, pelo apoio emocional nos momentos tristes e alegres, e também por todo o carinho, atenção, compreensão e companheirismo ao longo dos anos. Ao meu grande amigo Ayrton Hugo Andrade, por acreditar no meu potencial e me incentivar a concluir mais esta etapa em minha carreira. Um agradecimento especial ao professor Francisco Carlos Rodrigues pela colaboração no projeto dos experimentos e experimentos dos protótipos. Aos meus velhos e novos amigos que me acompanharam por todo esse percurso até esta conquista e por dividirem comigo o sonho do sucesso. Especialmente a Karine, Luana e Marina, que me proporcionaram além do apoio, as suas sinceras amizades ao longo deste período. Agradeço à Propees – Programa de Pós Graduação em Engenharia de Estruturas – da EEUFMG, pelo financiamento da pesquisa. v “A persistência é o menor caminho do êxito”. (Charles Chaplin) vi R E S U M O LANA, Cinthia Aparecida Carneiro. Desenvolvimento de Treliças Planas de Bambus de Pequeno Diâmetro com Bioconexões Compósitas. Belo Horizonte, 2016, Dissertação de Mestrado. Programa de Pós Graduação em Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais. Essa dissertação trata do desenvolvimento artesanal de treliças planas de bambus de pequeno diâmetro - espécie Bambusa tuldoides -, através da conjugação dos procedimentos do Desenho do Produto para criação da estrutura e das conexões; aos procedimentos de Análise Estrutural, Experimental e Numérica, para quantificação das resistências mecânicas obtidas e para a otimização do objeto de utilidade. A estrutura realiza-se com ligações compósitas de tecido de algodão embebidos em resina poliuretana – PU – à base de mamona, moldadas e coladas diretamente à superfície interna e externa dos bambus tubulares. Para tanto foram realizados experimentos físicos e mecânicos para caracterização do material compósito obtido e do bambu utilizado, experimentos mecânicos para avaliação da resistência ao cisalhamento da colagem e experimentos mecânicos de dois protótipos de treliças isostáticas com 3 e 4 metros de vão livre. A dissertação enfatiza também a importância do envolvimento direto do pesquisador experimental de engenharia, com os materiais utilizados e com a fabricação do objeto de utilidade. Este por sua vez atua como mola mestra para a inovação, pelo encorajamento que trazem, sem o qual fica-se preso às técnicas já consagradas pelo uso, por serem um caminho de menor risco. Os resultados mostram que a estrutura desenvolvida, além de ter apresentado um comportamento diferenciado das estruturas parafusadas, pode suportar cargas superiores a 100 vezes o seu peso próprio, caracterizando um alto desempenho estrutural. Palavras-chave: bambus, Bambusa tuldoides, bioconexões compósitas, resina poliuretana; técnicas de fabricação A B S T R A C T LANA, Cinthia Aparecida Carneiro. Development of Bamboo Plane Trusses with Small Diameter and Composite Bioconnections. Belo Horizonte, 2016, Masters Dissertation. Structural Engineering Department Program, School of Engineering, Federal University of Minas Gerais. This dissertation is about the development of artisanal bamboo plane trusses with small diameter -species Bambusa tuldoides-, through the combination of Product Design procedures to create the structure and connections. Structural analysis, Experimental and Numerical procedures were used to quantify the mechanical strength obtained, and to optimize the object of utility. The structure is made with composite connections of cotton cloth soaked in polyurethane resin - PU - based on castor bean, molded and bonded directly to the inner and outer surface of the tubular bamboos. Mechanical and physical experiments were conducted to characterize the composite material and the utilized bamboo. Further mechanical experiments were done to evaluate the bonding's shear resistance, and the two isostatic scissor type prototype trusses, 3 and 4 meters in size. The dissertation also emphasizes the importance of direct involvement of the experimental engineering researcher with the materials used and the manufacturing of the utility object. This in turn acts as a mainspring for innovation, for the encouragement it brings, without which, one is stuck to the techniques already established by usage, for they are of lower risk. The results show that the structure developed, besides having presented a differentiated behavior of bolted structures, can withstand loads of more than 100 times its own weight, characterizing a high structural performance. Keywords: bamboo, Bambusa tuldoides, composite bioconnections, polyurethane resin, manufacturing techniques; Lista de Figuras Figura 1.1: a) Estrutura amarrada com juta e resina; b) Amarração em giro. ......................... 6 Figura 1.2: Modelo tensegrity da coluna vertebral humana. ................................................... 7 Figura 2.1: Estrutura externa e interna do bambu .................................................................. 11 Figura 2.2: Tipos de rizomas: a) alastrantes; b) entouceirantes; ........................................... 13 Figura 2.3: Rizoma tipo metamorfo....................................................................................... 13 Figura 2.4: Corte longitudinal do bambu. .............................................................................. 14 Figura 2.5: a) Desenho microscópico dos tecidos; b) Vazios do parênquima e vasos .......... 14 Figura 2.6: a) Estrutura de um nó com anastomose vascular. ............................................... 14 Figura 2.7: Cípula Taj Mahal................................................................................................. 22 Figura 2.8: Tecelagem quadrada (Yotsume – Ami) .............................................................. 23 Figura 2.9: Tecelagem hexagonal ( Mutsume – Ami) ........................................................... 23 Figura 2.10: Tecelagem Ajiro: usada para fabricação de caixas manuais ............................. 23 Figura 2.11: Estruturas e paredes de bambu em casas Chinesas ........................................... 14 Figura 2.12: Bicicleta com quadro de bambu - LILD .......................................................... 14 Figura 2.13: Bicicletas produzidas artesanalmente – Flávio Deslandes ................................ 25 Figura 2.14: Cadeira de Rodas com substrutura tensegrity de bambu .................................. 25 Figura 2.15: Bicicleta com quadro de Bambu Laminado Colado ......................................... 26 Figura 2.16: Residências de Bambu, Bali - Indonésia ........................................................... 27 Figura 2.17: Forro trançado com fibras de bambu ................................................................ 27 Figura 2.18: Móvel confeccionado com bambu .................................................................... 28 Figura 2.19: Amassamento das peças sem nó ou sem reforço interno .................................. 28 Figura 2.20: Corte boca de peixe com e sem falange ............................................................ 29 Figura 2.21: Corte com falanges e encaixes para parafusos .................................................. 30 Figura 2.22: Corte parcial ou boca de flauta .......................................................................... 30 ix Figura 2.23: Conexões amarradas com cordas ...................................................................... 31 Figura 2.24: Anfiteatro com estrutura amarrada de Bambu Mossô ....................................... 32 Figura 2.25: Conexão com cavilhas ....................................................................................... 33 Figura 2.26: Conexões sobrepostas com pino ....................................................................... 33 Figura 2.27: Conexão de topo com chapa de aço/luva de aço ............................................... 34 Figura 2.28: Ligação com chapa externa ............................................................................... 34 Figura 2.29: Conexão com elemento interno ......................................................................... 35 Figura 2.30: Ligação aço sob pressão .................................................................................... 35 Figura 2.31: Ligação para treliça espacial ............................................................................. 36 Figura 2.32: Teste do Protótipo da Treliça Espacial de Bambu ............................................ 37 Figura 2.33: Estruturas parafusadas construídas pela Arte Desenho Oficina de Design ....... 38 Figura 2.34: a) Teste cisalhamento por tração; b) Ruptura dentro da parede do bambu ....... 38 Figura 2.35: Aplicação do Sistema de Reforço ..................................................................... 39 Figura 3.1: Molhagem do tecido com a resina poliuretana - PU. .......................................... 41 Figura 3.2: Preparação dos corpos de prova – rolos de compósito. ...................................... 41 Figura 3.3: Dimensões do Corpo de Prova. ........................................................................... 42 Figura 3.4: Compressão do compósito. ................................................................................. 42 Figura 3.5: Curvas tensão-deformação para o compósito sob compressão. .......................... 44 Figura 3.6: Corpos de prova para compressão dos compósitos. ............................................ 44 Figura 3.7: Curvas tensão-deformação para o compósito em compressão. ........................... 45 Figura 3.8: Corpo de prova para teste de tração do compósito. ............................................ 46 Figura 3.9: a) Corpos de prova para tração; b) Teste de tração do compósito; c) Malha ortogonal do tecido. ................................................................................................................ 47 Figura 3.10: Curvas Tensão-deformação para o compósito em tração ................................. 48 Figura 3.11: Dimensões do corpo de prova ........................................................................... 50 Figura 3.12: Corpos de prova após ruptura ........................................................................... 50