Os compósitos reforçados com fibras naturais são uma opção frente a fibrocimentos com amianto, devido à grande disponibilidade de fibras naturais como as de coco, sisal além das fibras de celulose. Aspectos relacionados com a durabilidade precisam ser melhorados, podendo ser citado a diminuição da resistência das fibras quando em meio alcalino causando a perda de propriedades mecânicas dos compósitos. Uma alternativa a esse problema é o uso de pozolana que irá consumir o hidróxido de cálcio proveniente da hidratação do cimento Portland, resultando em fases hidratadas como o C-S-H e aluminatos de cálcio, contribuindo assim, para a redução da alcalinidade e para o aumento da resistência mecânica. A metodologia adotada consistiu da análise do efeito de ciclos de molhagem e secagem quanto à formação de produtos da hidratação do cimento e da reação pozolânica a partir de formulações de cimento, filler dolomito, pozolana (metacaulim ou sílica ativa) e fibras de PVA (polivinil álcool) e celulose. As pozolanas empregadas foram efetivas no consumo de hidróxido de cálcio, porém não se constatou grandes ganhos mecânicos devido à degradação da matriz, observada em 250 ciclos, causada pela formação de hidróxido de magnésio com caráter expansivo. As hipóteses para a causa da formação de brucita consistem da reação de desdolomitização do filler dolomito ou da hidratação do periclásio que compõe o cimento Portland. / Composites reinforced with natural fibers are a good asbestos fibercomposites replacement material, as a result of the great natural fiber avaibility such as coco nut, sisal and cellulose. Durability aspects need to be improved, like the decrease of fiber resistance in alkaline environment causing the loss of mechanical properties of the composites. An alternative way to solve this problem is using pozzolan. It will react with calcium hydroxide formed by Portland cement hydration and will provide hydration phases as C-S-H and calcium aluminate hydrated, which contributes for the alkaline reduction and in an increase of mechanical performance. The methodology analyzes the effect of wet/dry cycles in composites among the hydration of cement and pozzolanic reaction in composite formulation made with cement, dolomite filler, pozzolan (metakaolin or silica fume) and PVA and cellulose fibers. The pozzolans used in this study consumed almost calcium hydroxide, although low mechanical properties were found. The matrix degradation with expansive brucite formation is explained with two hypotheses: dedolomitization reaction from dolomite filler or periclase hydration from Portland cement observed from 250 cycles.

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-03-08T14:19:36Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_MaterialCompósitoMatriz.pdf: 9207185 bytes, checksum: d3d4f51a79f1f922290cbe721e84301e (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-13T18:10:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_MaterialCompósitoMatriz.pdf: 9207185 bytes, checksum: d3d4f51a79f1f922290cbe721e84301e (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-13T18:10:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_MaterialCompósitoMatriz.pdf: 9207185 bytes, checksum: d3d4f51a79f1f922290cbe721e84301e (MD5) Previous issue date: 2007 / O presente trabalho teve como principal objetivo desenvolver novos materiais compósitos a base de resina estervinílica com fibras naturais de sisal e coco e inorgânica de vidro, além da impermeabilização das fibras naturais através da modificação física com betume. As caracterizações das fibras naturais de sisal e de coco, bem como sua morfologia e propriedades térmicas foram realizadas, devido ao fato dessas propriedades dependerem das condições de plantio, do solo, da colheita e da idade das plantas; além da determinação do teor de lignina, já que essa influencia diretamente no comportamento mecânico dos materiais compósitos. A cinética da absorção de água destilada e salina das fibras naturais de sisal e de coco e das modificadas fisicamente com 10% de betume (p/v) foram investigadas. Estudos das propriedades físico-mecânicas dos compósitos em matriz estervinílica reforçados com fibras de vidro e suas aplicações na engenharia naval, civil e automobilística foram previamente observados por vários pesquisadores mesmo sabendo de sua alta toxicidade quando em combustão. Essa perigosa propriedade instigou mais estudos sobre materiais compósitos reforçados com fibras naturais e seus tratamentos. Observações sobre as propriedades mecânicas como ensaios físicos de flexão, tração e impacto foram comparados e avaliados quanto ao desempenho e ao comportamento dos materiais citados após serem submetidos à corrosão salina (“salt spray”) e à influência da radiação ultravioleta (UV). O interesse na aplicação desses novos materiais compósitos reforçados com fibras naturais no design da engenharia naval, civil e automobilística é devido à redução de custos, densidade, ao desempenho, à segurança, economia de combustível, objetivando maior limite de velocidade e potência. Outra razão é a vasta possibilidade de modelagem e a obtenção de peças de design com respaldo ambiental. Os padrões industriais referentes a custos determinam uma série de dificuldades, mas não impedimentos, no que diz respeito às variações em conceitos na engenharia civil, náutica e automobilística, mesmo sabendo que há uma gama quase infindável de possibilidades de modelos. __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: The morphology and the mechanical properties of polymeric matrix composites reinforced with glass-fiber and its applications at the Naval, Civil and Automobilist Engineering has been researched currently even thought the high toxicity during application or when it is in combustion. This dangerous property instigates studies about material composites reinforced with natural fibers and its treatments. Observations about the mechanical properties as flexural, impact and tensile, submitted and not submitted to a salt corrosion (salt spray) and to the influence of the Ultraviolet (UV) Radiation will be compared at this research. The behavior of the composites under water absorption is an important fact to be studied. The water absorption of the natural and treated fibers is investigated. The thermal properties and behavior of the sisal and coconut fibers reinforced composites has presenting possibilities to be designed and applied in non structural pieces of the Naval, Vehicle, and Civil Engineering Industries. The interest on the application of materials composites reinforced with natural fibers in the design of the Naval Engineering is the reduction of costs, density, fuel, and the possibility of higher limit of velocity and power. Other reason is the possibilities of modeling obtaining pieces environmentally correct and designed. Others applications for these materials composites reinforced with natural fibers as furniture for the Civil Engineering and some interior pieces for the Automobilist Industry is showing very interesting as well.

Os compósitos reforçados com fibras naturais são uma opção frente a fibrocimentos com amianto, devido à grande disponibilidade de fibras naturais como as de coco, sisal além das fibras de celulose. Aspectos relacionados com a durabilidade precisam ser melhorados, podendo ser citado a diminuição da resistência das fibras quando em meio alcalino causando a perda de propriedades mecânicas dos compósitos. Uma alternativa a esse problema é o uso de pozolana que irá consumir o hidróxido de cálcio proveniente da hidratação do cimento Portland, resultando em fases hidratadas como o C-S-H e aluminatos de cálcio, contribuindo assim, para a redução da alcalinidade e para o aumento da resistência mecânica. A metodologia adotada consistiu da análise do efeito de ciclos de molhagem e secagem quanto à formação de produtos da hidratação do cimento e da reação pozolânica a partir de formulações de cimento, filler dolomito, pozolana (metacaulim ou sílica ativa) e fibras de PVA (polivinil álcool) e celulose. As pozolanas empregadas foram efetivas no consumo de hidróxido de cálcio, porém não se constatou grandes ganhos mecânicos devido à degradação da matriz, observada em 250 ciclos, causada pela formação de hidróxido de magnésio com caráter expansivo. As hipóteses para a causa da formação de brucita consistem da reação de desdolomitização do filler dolomito ou da hidratação do periclásio que compõe o cimento Portland. / Composites reinforced with natural fibers are a good asbestos fibercomposites replacement material, as a result of the great natural fiber avaibility such as coco nut, sisal and cellulose. Durability aspects need to be improved, like the decrease of fiber resistance in alkaline environment causing the loss of mechanical properties of the composites. An alternative way to solve this problem is using pozzolan. It will react with calcium hydroxide formed by Portland cement hydration and will provide hydration phases as C-S-H and calcium aluminate hydrated, which contributes for the alkaline reduction and in an increase of mechanical performance. The methodology analyzes the effect of wet/dry cycles in composites among the hydration of cement and pozzolanic reaction in composite formulation made with cement, dolomite filler, pozzolan (metakaolin or silica fume) and PVA and cellulose fibers. The pozzolans used in this study consumed almost calcium hydroxide, although low mechanical properties were found. The matrix degradation with expansive brucite formation is explained with two hypotheses: dedolomitization reaction from dolomite filler or periclase hydration from Portland cement observed from 250 cycles.

O trabalho dedica-se ao estudo das torres eólicas protendidas de concreto, com a finalidade de promover a discussão sobre os critérios de dimensionamento, tema de grande relevância na atualidade. Para tal, foi considerada uma torre eólica de 100 m de altura provida de turbina de 5 MW, cujas ações foram obtidas da literatura. O carregamento de vento ao longo da torre foi tratado como estático equivalente de acordo com disposições normativas, através de uma forma simplificada para a adoção de uma velocidade de projeto equivalente à incidente no rotor. Com base na literatura, apenas as condições mais críticas foram adotadas no dimensionamento. As combinações entre os carregamentos e os coeficientes parciais de segurança foram delineados a partir do método dos estados limites, o qual se encontra amplamente difundido em normas de projeto. Os esforços e deslocamentos na torre foram obtidos pelo método dos elementos finitos com discretização em elementos finitos unidimensionais, considerando as não linearidades física e geométrica por intermédio do acoplamento de um programa comercial de elementos finitos com algoritmo desenvolvido em linguagem MATLAB, que tanto define as diversas geometrias de cada elemento ao longo da torre (seção variável), como obtém para cada um: a armadura ativa longitudinal a partir de perdas de protensão recalculadas, o diagrama momento-curvatura-força normal, e a armadura passiva longitudinal escalonada, que é otimizada durante o processo do dimensionamento. Quanto à resistência ao esforço cortante das seções anulares, foi proposto um modelo que apresentou boa concordância com os resultados experimentais obtidos na literatura. Além dos concretos convencionais, é discutido o estado-da-arte do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras, CUADRF, tratando sobre seu desenvolvimento histórico, composição, diferentes tipos, propriedades mecânicas, aplicações, recomendações para projeto e as simplificações adotadas quanto ao seu uso nas torres eólicas. Ao final foram realizadas análises paramétricas relativas à geometria e à classe de concreto para dois tipos de torres: em tronco de cone e de variação parabólica. Uma das principais conclusões do trabalho é que a otimização da área de aço passivo ocorre de forma sistemática para as torres de frequência natural mais baixa, tornando indispensável o uso de um modelo não linear para o correto dimensionamento. Além disso, as torres obtidas foram comparadas através do custo material total, constatando-se que as torres mais econômicas possuíam variação parabólica. Isso permitiu aferir um valor inicial para o qual o uso do CUADRF em torres eólicas passaria a ser competitivo. / The work is dedicated to the study of prestressed wind towers of concrete, in order to promote discussion on the design criteria, highly relevant topic today. For this purpose, it was considered a wind tower 100 m high provided with 5 MW turbine, whose actions were obtained from the literature. The wind loading along the tower was treated as static equivalent in accordance with design codes, through a simplified way for the adoption of a design speed equivalent to that incident on the rotor. Based on the literature, only the most critical conditions were adopted in the design. The combinations between loads and partial safety factors were outlined by the limit states method, which is widespread in design standards. The forces and displacements in the tower were obtained by the finite element method with discretization in frame elements, through material and geometric nonlinearities. This was done through coupling of a commercial finite element program with algorithm developed in MATLAB language, which defines both the various geometries of each element along the tower (variable section), and obtains for each: prestressing reinforcement from recalculated prestressing losses, the moment-curvature-normal diagram, and the stepped longitudinal passive reinforcement that is optimized during the design process. For the shear strength of the annular sections, a model that showed good agreement with the experimental results obtained in the literature was proposed. In addition to conventional concrete, the state-of-the art of ultra-high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC, is discussed, dealing on its historical development, composition, different types, mechanical properties, applications, recommendations for design and simplifications adopted on its use in wind towers. At the end were performed parametric analyzes of the geometry and the concrete class for two types of towers: frustoconical and with parabolic variation. One of the main conclusions is that the optimization of passive steel area occurs systematically to the lower natural frequency towers, making it essential to use a nonlinear model for proper design. Moreover, the towers obtained were compared with the total material cost, having noticed that most economical towers had parabolic variation for the constraints here imposed. This allowed the assessment of an initial value for which the use of UHPFRC in wind turbine towers would be competitive.

O trabalho dedica-se ao estudo das torres eólicas protendidas de concreto, com a finalidade de promover a discussão sobre os critérios de dimensionamento, tema de grande relevância na atualidade. Para tal, foi considerada uma torre eólica de 100 m de altura provida de turbina de 5 MW, cujas ações foram obtidas da literatura. O carregamento de vento ao longo da torre foi tratado como estático equivalente de acordo com disposições normativas, através de uma forma simplificada para a adoção de uma velocidade de projeto equivalente à incidente no rotor. Com base na literatura, apenas as condições mais críticas foram adotadas no dimensionamento. As combinações entre os carregamentos e os coeficientes parciais de segurança foram delineados a partir do método dos estados limites, o qual se encontra amplamente difundido em normas de projeto. Os esforços e deslocamentos na torre foram obtidos pelo método dos elementos finitos com discretização em elementos finitos unidimensionais, considerando as não linearidades física e geométrica por intermédio do acoplamento de um programa comercial de elementos finitos com algoritmo desenvolvido em linguagem MATLAB, que tanto define as diversas geometrias de cada elemento ao longo da torre (seção variável), como obtém para cada um: a armadura ativa longitudinal a partir de perdas de protensão recalculadas, o diagrama momento-curvatura-força normal, e a armadura passiva longitudinal escalonada, que é otimizada durante o processo do dimensionamento. Quanto à resistência ao esforço cortante das seções anulares, foi proposto um modelo que apresentou boa concordância com os resultados experimentais obtidos na literatura. Além dos concretos convencionais, é discutido o estado-da-arte do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras, CUADRF, tratando sobre seu desenvolvimento histórico, composição, diferentes tipos, propriedades mecânicas, aplicações, recomendações para projeto e as simplificações adotadas quanto ao seu uso nas torres eólicas. Ao final foram realizadas análises paramétricas relativas à geometria e à classe de concreto para dois tipos de torres: em tronco de cone e de variação parabólica. Uma das principais conclusões do trabalho é que a otimização da área de aço passivo ocorre de forma sistemática para as torres de frequência natural mais baixa, tornando indispensável o uso de um modelo não linear para o correto dimensionamento. Além disso, as torres obtidas foram comparadas através do custo material total, constatando-se que as torres mais econômicas possuíam variação parabólica. Isso permitiu aferir um valor inicial para o qual o uso do CUADRF em torres eólicas passaria a ser competitivo. / The work is dedicated to the study of prestressed wind towers of concrete, in order to promote discussion on the design criteria, highly relevant topic today. For this purpose, it was considered a wind tower 100 m high provided with 5 MW turbine, whose actions were obtained from the literature. The wind loading along the tower was treated as static equivalent in accordance with design codes, through a simplified way for the adoption of a design speed equivalent to that incident on the rotor. Based on the literature, only the most critical conditions were adopted in the design. The combinations between loads and partial safety factors were outlined by the limit states method, which is widespread in design standards. The forces and displacements in the tower were obtained by the finite element method with discretization in frame elements, through material and geometric nonlinearities. This was done through coupling of a commercial finite element program with algorithm developed in MATLAB language, which defines both the various geometries of each element along the tower (variable section), and obtains for each: prestressing reinforcement from recalculated prestressing losses, the moment-curvature-normal diagram, and the stepped longitudinal passive reinforcement that is optimized during the design process. For the shear strength of the annular sections, a model that showed good agreement with the experimental results obtained in the literature was proposed. In addition to conventional concrete, the state-of-the art of ultra-high performance fiber reinforced concrete, UHPFRC, is discussed, dealing on its historical development, composition, different types, mechanical properties, applications, recommendations for design and simplifications adopted on its use in wind towers. At the end were performed parametric analyzes of the geometry and the concrete class for two types of towers: frustoconical and with parabolic variation. One of the main conclusions is that the optimization of passive steel area occurs systematically to the lower natural frequency towers, making it essential to use a nonlinear model for proper design. Moreover, the towers obtained were compared with the total material cost, having noticed that most economical towers had parabolic variation for the constraints here imposed. This allowed the assessment of an initial value for which the use of UHPFRC in wind turbine towers would be competitive.