Design e análises de mastros de bambu para aplicações estruturais
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Design and analysis of bamboo masts for structural applications
Primeiro orientador
Membros da banca
Estevam Barbosa de Las Casas
Sebastião Salvador Real Pereira
Fernando Betim Paes Leme
Ruy Marcelo de Oliveira Pauletti
Sebastião Salvador Real Pereira
Fernando Betim Paes Leme
Ruy Marcelo de Oliveira Pauletti
Resumo
O presente trabalho consiste no desenvolvimento de mastros híbrido, composto e de feixe
com barras de bambu da espécie Phyllostachys pubescens e estabelecimento de estadoslimites de utilização. Foram realizadas pesquisas quanto ao uso de mastros em estruturas
arquitetônicas e seu funcionamento, desde as estruturas mais remotas às mais recentes que
usam sistemas de coberturas de membranas. A construção e ensaios experimentais
possibilitaram o conhecimento e desenvolvimento de técnicas que permitiram o
aperfeiçoamento dos processos de construção bem como otimização do sistema estrutural
proposto. Obteve-se ganho em eficiência no segundo mastro híbrido devido à maior prétensão dos cabos, aumento do braço das cruzetas e melhor distribuição ao longo da barra do
bambu principal. O Diagrama de Southwell permitiu conhecer a força axial de flambagem
global (Carga de Euler), imperfeição inicial do sistema e maior segurança à aplicação de carga
nos ensaios seguintes. Os procedimentos adotados aos ensaios tiveram êxito quanto às
diversas etapas, logística e controles de atividades, com resultados e dados de boa precisão. O
mastro composto com barras laterais e interpostas com espaçadores internos, fixadas com
barras roscadas de aço apresentou grande desempenho frente aos mastros iniciais, visto sua
capacidade de carga próxima de 45 kN, com seis metros de comprimento e deflexão lateral de
apenas 70 mm. Contudo, pode-se observar que a carga limite ficou restrita pelo esmagamento
dos furos do espaçador na extremidade de menor diâmetro e espessura de parede e pelas
tensões de contato que podem ser substituídas por parafusos lisos com roscas apenas nas
extremidades, evitando concentração de tensões. Para estudos paramétricos, foram criados
sete tipos de bambu com diferentes diâmetros e espessuras de parede, e comprimentos da
ordem de dois a seis metros. Por questões de folgas em parafusos, os modelos numéricos
ficam mais rígidos cerca de 25% para estruturas de bambu, sendo perfeitamente admissível.
Observou-se também que a curva PDelta de descarga não apresentou uma forma coerente,
sendo registrado deformações plásticas ocorridas por concentração de tensões nos furos dos
parafusos, relaxando o sistema. Assim, analisou-se a fluência do mastro quanto aos dados e
considerações para aplicações deste tipo em estruturas. Os ensaios com mastros de feixe, de
dimensões de laterais de 3600 e 5400 mm, e alma contínua de seis metros, mostraram
funcionamento bastante previsível. Seu processo de fabricação é relativamente fácil, não
perfurando a parede do bambu para passagem de parafusos, evitando concentração de tensões,
embora consuma mais barras de bambu, sendo mais apropriado ao aproveitamento de bambus
de menor diâmetro, como os das espécies Phyllostachys aurea e Bambusa tuldoides. Em
todos os casos, a modelagem numérica pode acompanhar o comportamento ocorrido no
experimento, com ajustes perfeitos, validando os resultados para generalizações dos
resultados a cálculos posteriores de novas estruturas. Concluiu-se que a opção pelo tipo de
mastro dependerá das cargas de utilização e relação custo benefício, além do ponto de vista
estético-arquitetônico com uso de bambus, elemento estrutural contemporâneo, sustentável,
viabilizando novas possibilidades de aplicação em estruturas deste tipo, favorecendo a
biodiversidade, interagindo Design e Engenharia.
Abstract
The present work shows the development of hybrid, composite and beam masts with bamboo
bars of the species Phyllostachys pubescens and establishment of its limit states. Research has
been done on the use of masts in architectural structures and their functioning, structures from
the earliest to the latest architectural structures, using roofing membrane systems. The
construction and experimental trials enabled the development of knowledge and techniques
that allow the improvement of the construction processes and optimization of the proposed
structural system. Obtained gains in efficiency to the second hybrid mast, due to the increased
claim cables, crosses the rising arm and better distribution along the main bamboo bar. The
Southwell diagram allowed to know the global buckling axial force (Euler load), initial
imperfection of the system and increased security to the application load in the following
testing. The procedures were successful testing for the various steps, logistics and controls
activities, results and data with good accuracy. The composite mast with side bars with
internal spacers interposed, secured with threaded steel bars showed great performance
against the initial masts, as their next load capacity of 45 kN, with six meters long and lateral
deflection of only 70 mm. However, it can be seen that the load limit was limited by the
crushing of the spacer holes in the end of smaller diameter and wall thickness and the contact
stresses which may be substituted by straight screws with threaded only at the ends, thus
avoiding stress concentration. For parametric studies, seven types of bamboo with different
diameters and wall thicknesses, and lengths of the order of two to six meters have been
created. For questions about gap in bolts, the numerical models are stricter about 25% for
bamboo structures, being perfectly acceptable. It was also observed that the PDelta unload
curve did not show a consistent shape, and recorded plastic deformation occurred by stress
concentration in the screw holes, relaxing the system. Thus, was analyzed the fluency of the
mast of data and considerations for applications of this type in structures. The tests with masts
beam, with lateral dimensions of 3600 and 5400 mm, and continuous soul six meters, showed
the fairly predictable operation. Its manufacturing process is relatively easy, not piercing the
wall of bamboo for the passage of screws, avoiding stress concentration, although consume
more bars, bamboo is appropriate for the use of smaller diameter bamboo, such as of the
species Phyllostachys aurea and Bambusa tuldoides. In all cases, the numerical modeling can
monitor the behavior occurred during the experiment, with perfect fits, validating the results
to generalize the results of subsequent calculations of new structures. It was concluded that
the option of type of masts will depend of loading and cost benefit, beyond the aesthetic and
architectural point of view with the use of bamboo, contemporary structural element,
sustainable, enabling new application possibilities in structures of this type, favoring
biodiversity, interacting Design and Engineering.
Assunto
Engenharia de estruturas, Bambu, Projeto estrutural, Análise numérica
Palavras-chave
Mastros, Bambu, Design estrutural, Análise numérica, Ensaio experimental