Caracterização Físico-Mecânica de Espécies de Bambu para Aplicações Estruturais
Resumo Executivo
O bambu, um recurso natural de rápido crescimento e alta renovabilidade, apresenta um potencial extraordinário como material estrutural sustentável, oferecendo uma alternativa viável aos materiais de construção convencionais. Sua estrutura anatômica única, caracterizada por um colmo cilíndrico oco com nós e entrenós, confere-lhe uma notável relação resistência-peso e flexibilidade. Essas características frequentemente superam as de materiais de construção convencionais como a madeira e, em certos aspectos, até mesmo o aço – o bambu pode atingir 28.000 psi em resistência à tração (aproximadamente 193 MPa) contra 23.000 psi do aço (aproximadamente 159 MPa) [8] – posicionando o bambu como um "aço vegetal" do futuro [1]. Ele é 2 a 3 vezes mais duro e resistente do que a maioria das madeiras de lei [8]. Este relatório valida e elabora sobre essas afirmações, com base em extensa literatura científica.
Este relatório detalha uma pesquisa aprofundada sobre as propriedades físico-mecânicas de diversas espécies de bambu, com foco nos gêneros Guádua, Dendrocalamus, Phyllostachys e Bambusa. A análise abrange estudos de diferentes regiões geográficas, incluindo Américas, Ásia e Europa, visando compilar dados precisos e detalhados, essenciais para o desenvolvimento de um aplicativo de cálculo estrutural.
O documento detalha as propriedades essenciais do bambu, como densidade, teor de umidade, retração, resistência à compressão, resistência à tração, resistência à flexão (Módulo de Ruptura - MOR), Módulo de Elasticidade (MOE) e resistência ao cisalhamento. É destacada a significativa variabilidade dessas propriedades, influenciada por fatores como espécie, idade, teor de umidade, posição no colmo (longitudinal e radial) e a presença de nós. A importância de métodos de teste padronizados, em particular os definidos pelas normas ISO 22157 [23], ISO 22156 [22] e ISO 19624 [21], é enfatizada para garantir a comparabilidade e a confiabilidade dos dados, aspectos cruciais para a aceitação estrutural generalizada do bambu.
Apesar de desafios relacionados à variabilidade inerente e à percepção cultural (classificação como material não convencional em muitos países, muitas vezes referida como "madeira de pobre" [20]), o bambu, especialmente em suas formas engenheiradas, demonstra consistentemente um desempenho mecânico comparável ou superior ao da madeira e, em alguns casos, até mesmo ao do aço em termos de relação resistência-peso. Avanços na engenharia do bambu, como madeira laminada de bambu (LBL) e bambu scrimber (BS), estão superando as limitações dos colmos naturais, oferecendo propriedades mais uniformes e maior durabilidade [25]. O BS, embora mais denso e duro [25], consome mais energia e adesivos em sua produção. A integração desses dados em uma plataforma de cálculo estrutural permitirá que engenheiros e arquitetos explorem plenamente o potencial do bambu, promovendo construções mais sustentáveis e resilientes.
O relatório conclui com recomendações específicas para o desenvolvimento de um aplicativo robusto de cálculo estrutural de bambu, defendendo entradas de dados granulares, modelagem de materiais anisotrópicos e considerações para durabilidade e tratamento.
1. Introdução: O Bambu como Material Estrutural Sustentável
1.1. Contexto e Potencial Global do Bambu na Construção
O bambu, uma gramínea lenhosa de rápido crescimento, tem emergido como um material de construção sustentável com potencial significativo para mitigar os impactos ambientais da indústria da construção civil. Sua notável taxa de crescimento, que pode atingir mais de um metro por dia em algumas espécies, permite que os colmos alcancem sua altura total em apenas 2 a 4 meses e maturidade estrutural em 3 a 6 anos [19, 20], contrastando fortemente com os ciclos de crescimento de décadas da madeira tradicional. Esta característica de crescimento acelerado posiciona o bambu como um recurso altamente renovável.
Além de seu rápido crescimento, o bambu é um sequestrador de carbono altamente eficiente, absorvendo aproximadamente 35% mais dióxido de carbono do que um número equivalente de árvores [16]. Uma única hectare de floresta de bambu pode absorver entre 12.000 e 17.000 kg de CO₂ por ano [16], o que equivale a compensar as emissões de três a quatro carros de passageiros anualmente [16]. Algumas espécies podem absorver mais de 60 toneladas de CO₂ por hectare por ano, um valor 30 vezes superior ao de outras plantas [10, 16], devido à sua capacidade de permanecer verde durante todo o ano e ao seu crescimento incrivelmente rápido [10]. A capacidade do bambu de acumular biomassa 10 vezes mais rápido do que as árvores tradicionais o torna uma escolha superior para iniciativas de sequestro de carbono [10]. Este processo inclui o armazenamento de carbono nos rizomas mesmo após a colheita, o que promove o surgimento de novos brotos [10]. A construção à base de bambu não só emite menores níveis de CO₂, mas também tem o potencial de compensar as emissões de outros materiais de construção convencionais [1]. A utilização do bambu, portanto, contribui significativamente para a redução da pegada de carbono de edificações, abordando os impactos ambientais de uma indústria que consome 25% da madeira florestal [1].
Do ponto de vista estrutural, o bambu exibe propriedades mecânicas impressionantes, incluindo uma alta relação resistência-peso, flexibilidade inerente e notável resiliência [1]. Essas características o tornam particularmente adequado para aplicações em regiões propensas a terremotos, onde sua capacidade de absorver e dissipar energia é vantajosa [19]. Sua resistência à tração é notavelmente superior à do aço, com o bambu atingindo 28.000 libras por polegada quadrada (psi) (aproximadamente 193 MPa) em comparação com 23.000 psi (aproximadamente 159 MPa) do aço [8]. Ao considerar a relação peso/resistência, o bambu se destaca como uma opção muito superior ao aço para construção e reforço, dada a maior leveza do bambu [8]. Além disso, o bambu é de 2 a 3 vezes mais duro e resistente do que a maioria das madeiras de lei, incluindo o carvalho [8]. Embora seja mais fraco que o aço em compressão, o bambu supera o concreto nesse aspecto [19], tornando-o adequado para aplicações de reforço [19]. Historicamente, o bambu tem sido um pilar da construção em diversas culturas, especialmente na Ásia e América do Sul, sendo empregado em estruturas de suporte, andaimes e elementos de carga [19].
Apesar de seu vasto potencial, a aceitação generalizada do bambu na construção moderna, especialmente em regiões ocidentais, enfrenta barreiras. A percepção cultural do bambu como "madeira de pobre" em seus locais de origem e sua classificação como material não convencional em muitos países limitam sua integração em projetos de grande escala [20]. Outros fatores que contribuem para a sua aceitação limitada incluem uma vida útil percebida como mais curta, a carência de normas e códigos abrangentes, um entendimento inadequado das suas propriedades e políticas governamentais deficientes [1].
No entanto, avanços significativos na engenharia do bambu, através do desenvolvimento de produtos como a madeira laminada de bambu (LBL) e o bambu scrimber (BS), estão superando as limitações dos colmos naturais, como a forma irregular e a variabilidade das propriedades [25]. Vigas de bambu engenheirado, produzidas pela laminação de tiras de bambu com resina fenólica sob alta temperatura e pressão, oferecem estabilidade estrutural, resistência e representam alternativas sustentáveis às vigas de madeira tradicionais [2]. O bambu scrimber (BS), fabricado esmagando tiras de bambu em fibras e comprimindo-as com resina, é mais denso e duro [25], enquanto as vigas de bambu engenheirado (com tiras laminadas) são mais flexíveis e leves [25]. O BS geralmente apresenta propriedades mecânicas superiores às da madeira laminada de bambu (LBL) [25] e pode evitar problemas relacionados aos nós devido ao processo de desfibragem [25]. Contudo, a produção de BS consome mais energia e adesivos do que a madeira e possui um odor forte, o que restringe o seu uso em edificações [25]. A transição do bambu de um material tradicional para um produto de engenharia de alto desempenho é um tema central no avanço de sua utilização estrutural.
A análise do potencial do bambu revela uma mudança de paradigma: ele não é apenas uma "alternativa" sustentável, mas um material com características que o tornam superior em diversos aspectos. As vantagens quantitativas, como a absorção de 12 a 17 toneladas de CO₂ por hectare por ano [15, 16], uma taxa de sequestro de carbono 30 vezes maior do que a de outras plantas [10, 16], e uma acumulação de biomassa 10 vezes mais rápida [10], além de uma resistência à tração de 28.000 psi (193 MPa) contra 23.000 psi (159 MPa) do aço [8], demonstram um salto qualitativo em sustentabilidade e desempenho. Isso implica que o bambu não é meramente um substituto, mas um material preferível para a construção sustentável futura, capaz de reduzir significativamente a pegada de carbono do ambiente construído e possibilitar estruturas com balanço de carbono negativo [1]. Essa perspectiva exige uma reavaliação dos códigos de construção e um maior investimento em pesquisa e cadeias de suprimentos de bambu.
A aceitação generalizada do bambu enfrenta um desafio duplo: a percepção cultural e a padronização. A ausência de normas formais e globalmente reconhecidas reforça a ideia do bambu como um material "não convencional" ou "inferior", o que dificulta a sua especificação por engenheiros e arquitetos com a devida confiança, especialmente em regiões sem uma forte tradição de construção com bambu [1]. Sem padrões de engenharia claros e universalmente adotados, os projetistas enfrentam maior incerteza e responsabilidade, o que perpetua o ceticismo cultural e limita o investimento em projetos de bambu em larga escala. Superar a percepção de "madeira de pobre" [20] exige a demonstração das suas capacidades de alto desempenho através de testes rigorosos e padronizados [18], bem como a realização de projetos de grande visibilidade e sucesso. Portanto, o desenvolvimento e a ampla adoção de normas ISO (ISO 22157 [23], 22156 [22], 19624 [21]) são passos cruciais para legitimar o bambu como um material estrutural convencional, o que, por sua vez, pode ajudar a mudar as percepções culturais e liberar todo o seu potencial de mercado.
1.2. Objetivo e Escopo do Relatório
Este relatório tem como objetivo principal realizar uma compilação abrangente e detalhada de estudos de caracterização físico-mecânica de espécies de bambu, com ênfase nos gêneros Guádua, Dendrocalamus, Phyllostachys e Bambusa. O propósito é reunir dados precisos de diversas regiões geográficas (Américas, Ásia e Europa) para formar uma base de dados robusta, a ser utilizada no desenvolvimento de um aplicativo de cálculo estrutural empregando bambu.
O relatório abordará as propriedades essenciais para o cálculo estrutural, como densidade, teor de umidade, retração, resistência à compressão, resistência à tração, resistência à flexão (Módulo de Ruptura - MOR), Módulo de Elasticidade (MOE) e resistência ao cisalhamento. Será dada atenção especial aos fatores que influenciam essas propriedades, como a idade do colmo, a posição longitudinal e radial, e a presença de nós. A metodologia de caracterização e os padrões de teste internacionais e nacionais serão discutidos para contextualizar a confiabilidade e comparabilidade dos dados.
A estrutura do relatório segue uma abordagem sistemática: inicia com uma introdução ao potencial do bambu, detalha a metodologia de caracterização e os fatores influenciadores, apresenta uma caracterização aprofundada por gênero e espécie, seguida por uma análise comparativa das propriedades e suas implicações para o cálculo estrutural, e conclui com recomendações e perspectivas futuras para o aplicativo.
2. Metodologia para Síntese de Dados
A síntese de dados para este relatório envolveu uma revisão sistemática da literatura científica focada na caracterização física e mecânica do bambu. O objetivo principal foi identificar e extrair pontos de dados relevantes para os gêneros especificados e suas principais espécies em diferentes regiões globais.
Uma extensa busca foi realizada para identificar estudos publicados em periódicos acadêmicos, anais de conferências e relatórios técnicos, com foco em dados quantitativos sobre propriedades físicas e mecânicas. Os pontos de dados foram extraídos para propriedades-chave, incluindo densidade, teor de umidade, contração, resistência à compressão, resistência à tração, resistência à flexão (Módulo de Ruptura - MOR), Módulo de Elasticidade (MOE) e resistência ao cisalhamento. Esforços foram feitos para normalizar as unidades para MPa e GPa para propriedades mecânicas e g/cm³ ou kg/m³ para densidade, a fim de garantir a comparabilidade.
3. Propriedades Físicas Essenciais para o Cálculo Estrutural
A compreensão das propriedades físicas do bambu é fundamental para prever seu comportamento como material estrutural e garantir a precisão no projeto. Essas propriedades são intrinsecamente variáveis e influenciadas por múltiplos fatores.
3.1. Densidade: Gradientes e Correlação com o Desempenho Mecânico
A densidade do bambu geralmente varia de 500 kg/m³ a 850 kg/m³ [32]. A gravidade específica (básica, com 12% de MC) varia de 0,38 a 0,64 [32], ou de 0,50 a 0,85 [32]. O bambu exibe um gradiente de densidade pronunciado, com tecido mais denso e maior concentração de fibras em direção à parede externa do colmo (gradiente radial) [12, 32]. Observa-se também um gradiente de densidade longitudinal, com a densidade diminuindo da base para o topo do colmo [32].
A densidade está diretamente correlacionada com todas as propriedades mecânicas, incluindo resistência à tração, módulo de ruptura e módulos de elasticidade em flexão e tração [32]. Uma densidade mais alta geralmente se correlaciona com uma resistência superior [32]. Essa correlação é uma consequência direta da microestrutura do bambu, onde a fração de volume e a distribuição das fibras de esclerênquima e das células de parênquima determinam a sua densidade [32]. Uma maior densidade de fibras se traduz em uma maior densidade específica e, consequentemente, em propriedades mecânicas superiores [32]. Para um aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que a densidade não é apenas um valor numérico, mas um indicador da arquitetura interna das fibras [32]. Métodos de teste não destrutivos, como a medição do diâmetro do colmo e da espessura da parede, poderiam ser utilizados para estimar a densidade e, por extensão, as propriedades mecânicas em campo [32]. O aplicativo deve, idealmente, permitir a entrada da seção do colmo (por exemplo, base, meio, topo) ou da posição radial para considerar esses gradientes, ou, no mínimo, fornecer valores conservadores para o projeto, evitando superestimar ou subestimar a resistência.
Exemplos de Densidade por Espécie:
- Guadua angustifolia: Geralmente superior ao Moso, comparável à madeira de carpintaria externa [32]. Pode atingir até 700 kg/m³ [32]. As fibras apresentam uma densidade aparente de 0,69 g/cm³ [35]. Após densificação, pode atingir 0,81 g/cm³ (seca) e 0,83 g/cm³ (saturada) [35].
- Dendrocalamus asper: Varia de 485 kg/m³ (internó 5) a 737 kg/m³ (internó 25), aumentando com a altura [31].
- Dendrocalamus strictus: Apresenta densidade de 600-700 kg/m³ (12% MC) [34] e gravidade específica de 0,799, aumentando da base para o topo [34]. A densidade básica aumenta com a idade, de 432 kg/m³ (1 ano) para 458 kg/m³ (3 anos) [34].
- Dendrocalamus giganteus: Aproximadamente 900 kg/m³ (19% MC) [30], com aumento da base para o topo [30]. A densidade básica aparente média é de 0,41 g/cm³ [30].
- Phyllostachys edulis (Moso): Densidade relativa de 0,553 a 1,006 g/cm³, com aumento significativo da camada interna para a externa [39]. A densidade básica média é de 0,64 g/cm³ [39]. A densificação pode aumentar a densidade de 680 kg/m³ para 1334 kg/m³ [27].
- Phyllostachys bambusoides: Aproximadamente 600 kg/m³ antes da densificação, podendo atingir 1000-1380 kg/m³ após densificação [27].
- Bambusa vulgaris: 590 kg/m³ (seca em estufa) [14].
- Bambusa multiplex: 897-938 kg/m³ (15,5% MC) [33].
Tabela 1: Resumo Comparativo de Propriedades Físicas Essenciais por Gênero/Espécie de Bambu
| Gênero/Espécie | Densidade Típica (kg/m³ ou g/cm³) | Teor de Umidade Típico (%) | Retração Tangencial Típica (%) | Retração Longitudinal Típica (%) | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|
| Guadua angustifolia | 690 (fibras), até 700 (básica) | 8 (fibras), 18 (colmos) | N/A | N/A | [32, 35] |
| Dendrocalamus asper | 485-737 | 16.02-16.79 (média) | N/A | N/A | [9, 31] |
| Dendrocalamus strictus | 432-700 | 46-108 (verde) | 6-13 | N/A | [34] |
| Dendrocalamus giganteus | 900 (19% MC) | 16.02-16.79 (média) | N/A | N/A | [30, 38] |
| Phyllostachys edulis (Moso) | 0.553-1.006 g/cm³ (relativa) | ~7 (seco), 10.3 (EMC) | 4.870-7.769 | 0.087-0.298 | [28, 39] |
| Phyllostachys bambusoides | 600 (antes densif.), 1000-1380 (após) | 48.9-84.2 (verde) | N/A | N/A | [24, 27] |
| Phyllostachys nigra | 0.4-0.9 g/cm³ | 5-13 | N/A | N/A | [36, 37] |
| Bambusa vulgaris | 590 (seca em estufa) | N/A | N/A | N/A | [14] |
| Bambusa multiplex | 897-938 (15.5% MC) | 15.5 | N/A | N/A | [33] |
3.2. Teor de Umidade (MC): Sua Influência Primordial nas Propriedades e Durabilidade
O teor de umidade (MC) é um modulador primário das propriedades mecânicas do bambu [15]. A maioria das fontes confirma uma relação inversa entre o MC e a resistência: quanto menor o MC, maior a resistência [15]. Bambus com 15% de MC ou menos tendem a apresentar boas propriedades mecânicas e são menos vulneráveis a ataques de fungos [19]. Um teor de umidade de 12% em condição seca ao ar é frequentemente considerado uma referência padrão [19].
O teor de umidade diminui com a idade e varia ao longo da altura do colmo, sendo mais alto na base e mais baixo no topo [34]. Para Dendrocalamus strictus, as porções superiores do colmo apresentaram consistentemente menor MC do que as seções médias ou basais em todos os estágios de secagem [34]. A natureza higroscópica do bambu significa que suas dimensões mudam em resposta às variações de umidade, e altos teores de umidade o tornam propenso à degradação [15]. O teor de umidade é um fator tão crítico que a durabilidade do bambu também depende dele, pois atrai fungos e insetos perfuradores, acelerando o processo de apodrecimento [19]. A determinação do teor de umidade é realizada por padrões de teste como o ASTM D4442 [5], frequentemente utilizando o método de secagem em estufa [5].
O teor de umidade não é apenas uma propriedade a ser medida, mas um parâmetro crítico de projeto e manutenção. A presença de água nas paredes celulares (água ligada) e nos lúmens (água livre) afeta diretamente a rigidez e a resistência do material. Altos teores de umidade plasticizam os componentes da parede celular (lignina, hemicelulose), reduzindo a rigidez e tornando o bambu mais suscetível à deformação e à degradação biológica por fungos e insetos. Em contrapartida, a secagem adequada (por exemplo, 4 meses de branqueamento solar e secagem ao ar para Guadua para minimizar rachaduras e empenamentos [40]) remove essa água, aumentando a resistência e a durabilidade. Um aplicativo de cálculo estrutural deve, portanto, não apenas aceitar o MC como entrada, mas também fornecer orientação sobre o MC ideal para elementos estruturais específicos e recomendar estratégias apropriadas de secagem e preservação para garantir o desempenho a longo prazo e evitar falhas prematuras.
3.3. Retração: Comportamento Anisotrópico e Implicações para a Estabilidade Dimensional
O bambu apresenta uma alta taxa de retração quando inicialmente seco: 10-16% no diâmetro do colmo e 15-17% na espessura da parede [32]. A retração radial é geralmente maior que a tangencial, enquanto a retração longitudinal é frequentemente desprezível [32]. Para Phyllostachys edulis (Moso), a retração tangencial varia de 4,870% a 7,769%, e a retração longitudinal de 0,087% a 0,298% [39].
A retração significativa e anisotrópica representa um desafio para a estabilidade dimensional a longo prazo em elementos estruturais. Uma retração excessiva ou não uniforme pode levar a rachaduras e comprometer a integridade estrutural [32].
A retração anisotrópica é um desafio de projeto fundamental para a integridade estrutural a longo prazo. As diferentes taxas de retração nas direções radial e tangencial, combinadas com uma retração longitudinal mínima, criam tensões internas à medida que o bambu seca [32]. Essas tensões podem exceder a resistência transversal do material, resultando em rachaduras e fendas, especialmente em colmos redondos [32]. Esse problema é agravado pela geometria de parede fina do material [32]. Embora as propriedades mecânicas do bambu sejam elevadas, sua instabilidade dimensional é um fator limitante para sua adoção generalizada [32], particularmente em aplicações que exigem controle dimensional preciso ou exposição a flutuações de umidade. Para um aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que os projetistas devem considerar a possibilidade de rachaduras e fendas [32], talvez utilizando produtos de bambu engenheirado (como madeira de bambu achatada, que pode alcançar estabilidade dimensional por meio de modificação térmica [28]) ou implementando detalhes de projeto que acomodem o movimento e previnam concentrações de tensão (por exemplo, juntas adequadas, revestimento externo). O aplicativo deve fornecer avisos ou considerações de projeto para o uso de colmos brutos em relação à retração, enfatizando a necessidade de secagem e tratamento adequados para mitigar esses efeitos.
4. Principais Propriedades Mecânicas do Bambu para Aplicações Estruturais
As propriedades mecânicas ditam a adequação do bambu para aplicações de suporte de carga. Essas propriedades são altamente dependentes de vários fatores intrínsecos e extrínsecos. O bambu é um material altamente anisotrópico, o que significa que suas propriedades mecânicas variam significativamente dependendo da direção da força aplicada em relação à orientação de suas fibras. As propriedades longitudinais (paralelas às fibras) são geralmente superiores. Para o projeto estrutural, essa anisotropia implica que os elementos de bambu devem ser orientados corretamente em relação à direção da carga principal.
4.1. Resistência à Compressão (CS): Alta Capacidade e Influência dos Nós
O bambu geralmente exibe alta resistência à compressão (CS), tipicamente variando de 40 a 80 N/mm² [32] (MPa), o que é 2 a 4 vezes maior do que a maioria das espécies de madeira comercial [32]. A resistência média à compressão tende a ser maior na parte superior do colmo e aumenta da parte interna para a externa [32]. Os nós podem aumentar a resistência à compressão [32]. No entanto, estudos com Bambusa vulgaris no Quênia mostraram uma resistência à compressão de 49,9 MPa com nós e 56,7 MPa sem nós [14], indicando que a presença de nós não afetou significativamente a resistência à compressão. Por outro lado, algumas pesquisas sobre Dendrocalamus asper encontraram maiores resistências para amostras com nós [31].
Essa aparente contradição, conhecida como o "paradoxo do nó" na compressão, provavelmente decorre de diferenças nas espécies, nas metodologias de teste (por exemplo, colmo inteiro versus pequenos espécimes claros, presença/ausência de diafragma) e nos mecanismos de falha específicos observados. Os nós atuam como diafragmas que previnem a flambagem da parede do colmo e funcionam como "arrestadores" de trincas [32]. Em alguns casos, esse efeito de reforço estrutural é dominante, aumentando a capacidade compressiva geral [32]. Em outros, se o espécime de teste for suficientemente curto para que a flambagem não seja o modo de falha principal, a resistência intrínseca do material fibroso do entrenó pode ser o fator dominante, e a natureza não fibrosa do próprio nó pode não contribuir significativamente para o caminho da carga axial, ou até mesmo apresentar uma fraqueza localizada. Um estudo explica que as fibras são fortes em flexão e tração, mas seu efeito em compressão é insignificante, sugerindo que apenas a matriz resiste à força externa, tornando os nós irrelevantes para a resistência à compressão [26]. Para um aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que uma única regra para nós em compressão é insuficiente. O aplicativo deve usar valores conservadores que considerem o cenário mais fraco (sem aumento dos nós) ou permitir dados específicos da espécie onde os efeitos nodais na compressão são claramente estabelecidos e validados. Isso também ressalta a importância de especificar as condições de teste (por exemplo, presença de nós nas amostras) ao relatar dados, conforme enfatizado pela ISO 22157 para testes de tração [17].
4.2. Resistência à Tração (TS): Desempenho Impulsionado pelas Fibras e Comparação com o Aço
As fibras de bambu possuem alta resistência à tração (TS), frequentemente comparável ou superior à do aço em termos de relação resistência-peso [8]. A resistência média à tração de várias espécies de bambu é de aproximadamente 160 N/mm² [32] (MPa), o que é 3 a 4 vezes maior do que a maioria das espécies de madeira comercial [32]. A resistência à tração é tipicamente determinada testando tiras/fibras de bambu em vez do colmo inteiro [32]. As amostras devem conter um nó, pois este é considerado o ponto mais fraco sob carga de tração [17, 32]. Os nós podem diminuir significativamente a resistência à tração [17, 32].
A alta resistência à tração do bambu deriva de suas longas fibras de celulose alinhadas [39]. No entanto, os nós, por sua própria natureza, interrompem a continuidade dessas fibras longitudinais de suporte de carga, criando uma descontinuidade [17, 32]. Quando submetidos a forças de tração, ocorrem concentrações de tensão nessas interrupções, levando a uma falha prematura no nó antes que a capacidade total de tração das fibras do entrenó possa ser alcançada [17, 32]. É por isso que a norma ISO 22157 especifica que os testes de tração devem ser realizados com nós [17]. Para um aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que os valores de projeto para colmos inteiros sob tração devem ser baseados em testes que incluam nós, representando o elo mais fraco. Projetistas que utilizam bambu em tração (por exemplo, como reforço ou em elementos de treliças) precisam estar cientes da posição dos nós e considerar soluções de engenharia para reforçar as conexões nos nós ou evitar a aplicação de tensões críticas de tração diretamente sobre eles. Isso reforça a necessidade de uma caracterização detalhada do material e um cuidadoso detalhamento estrutural.
4.3. Resistência à Flexão (M.O.R.) e Módulo de Elasticidade (M.O.E.): Variabilidade e Implicações Estruturais
O Módulo de Ruptura (MOR) para o bambu varia de 76,0 MPa a 168,6 MPa [32]. O Módulo de Elasticidade (MOE) varia de 18,00 GPa a 20,00 GPa [32]. A resistência à flexão e o MOE são influenciados pela posição do colmo, idade e nós [19, 32]. Os nós podem diminuir significativamente a resistência à flexão [19]. Os padrões de teste como ASTM D1037-12 [3] são utilizados para testes de MOR e MOE em materiais de painéis à base de madeira [3]. A norma ISO 22157 [17] também sugere um teste de flexão de quatro pontos para determinar a resistência à flexão [17].
O desempenho à flexão é uma função complexa da resistência à tração no lado tracionado, da resistência à compressão no lado comprimido e da resistência ao cisalhamento ao longo do eixo neutro. Como o bambu é um material altamente anisotrópico (mais forte longitudinalmente do que transversalmente, e os nós enfraquecem a capacidade de tração/flexão), sua falha à flexão é frequentemente governada por cisalhamento longitudinal ou falha por tração nos nós. A variação com a altura do colmo e a idade reflete a mudança na densidade das fibras e na lignificação ao longo do colmo. Projetar elementos de flexão com bambu exige mais do que apenas valores médios de MOR/MOE. O aplicativo precisa considerar a seção transversal mais fraca (por exemplo, em um nó para flexão controlada por tração) e a natureza anisotrópica do material. Isso pode implicar o uso de valores característicos mais baixos para o projeto, ou a necessidade de detalhes específicos para reforçar seções críticas ou distribuir os nós estrategicamente ao longo de uma viga para evitar pontos de falha simultâneos. Os valores mais altos de MOE obtidos em testes de compressão em comparação com os valores mais baixos de MOE em testes de tração [18] sugerem que a resposta do material a diferentes modos de carregamento não é uniforme, o que afeta os cálculos de deflexão.
4.4. Resistência ao Cisalhamento (SS): Um Fator Limitante Crítico
A resistência ao cisalhamento (SS) paralela à grã é tipicamente muito menor do que a resistência à compressão ou tração, cerca de 10 vezes menor que a CS e 20 vezes menor que a TS [32]. No entanto, é cerca de duas vezes maior do que a de madeiras tropicais (3-6 N/mm²) [32]. Os nós podem aumentar a resistência ao cisalhamento [32].
A baixa resistência ao cisalhamento é o "calcanhar de Aquiles" das estruturas de bambu [32]. A estrutura do bambu é otimizada para resistência longitudinal (fibras correndo axialmente). Forças transversais, como o cisalhamento, dependem da matriz de parênquima mais fraca e da interface entre as fibras e a matriz [32]. Essa anisotropia estrutural inerente o torna vulnerável à falha por cisalhamento, particularmente paralela à grã [32]. A falha na compressão perpendicular à grã ocorre principalmente devido à falha de ligação entre as fibras (falha por cisalhamento oblíquo) [32]. Essa baixa resistência ao cisalhamento impõe considerações críticas de projeto, especialmente em conexões e suportes, onde as tensões de cisalhamento são frequentemente concentradas [32]. O aplicativo de cálculo estrutural deve implementar verificações robustas para a capacidade de cisalhamento e, possivelmente, recomendar projetos de juntas específicas (por exemplo, fixação radial para resistir à fissuração) ou estratégias de reforço para mitigar essa fraqueza. Isso também implica que, para produtos de bambu engenheirado como o scrimber, melhorar a resistência da ligação entre as fibras é crucial para aprimorar o desempenho ao cisalhamento [25].
5. Fatores que Influenciam as Propriedades Físicas e Mecânicas do Bambu
As propriedades mecânicas e físicas do bambu são inerentemente variáveis e são significativamente influenciadas por múltiplos fatores, que devem ser considerados para um projeto estrutural preciso.
5.1. Características Específicas da Espécie e Idade Ótima para Colheita
Existem mais de 1.500 espécies de bambu [32], e cada uma possui características estruturais e mecânicas distintas [32]. A escolha da espécie é o primeiro passo para determinar o potencial de desempenho. As propriedades do bambu, incluindo resistência à flexão e compressão, geralmente melhoram com a idade [32], atingindo a resistência ótima entre 3 e 5 anos [19] devido ao processo de lignificação [32]. O teor de umidade também diminui com a idade, contribuindo para o aumento da resistência [32]. A colheita na idade ideal (geralmente entre 3 e 5 anos) garante propriedades mecânicas ótimas [19].
A resistência do Dendrocalamus strictus aumenta com a idade, atingindo o pico aos 3 anos e diminuindo posteriormente [34]. Colmos mais velhos (3-4 anos) são 40-50% mais fortes do que os jovens [38]. O bambu Thai Dendrocalamus Giganteus (TDG) com 3-4 anos de idade apresenta as melhores propriedades mecânicas [38]. Para Phyllostachys edulis (Moso), a idade ótima é de 3-5 anos [19]. Fibras de bambu com idade entre 0,5 e 8,5 anos atendem aos requisitos para compósitos reforçados com fibras, com uma resistência à tração média de 1,54 GPa e um MOE longitudinal de 33,86 GPa [26].
A idade do bambu é um parâmetro que representa um estágio crítico de desenvolvimento do material. À medida que o bambu amadurece, o processo de lignificação aumenta a proporção de lignina nas paredes celulares, conferindo rigidez e resistência [32]. Este é um processo de maturação biológica que melhora diretamente o desempenho mecânico [32]. Simultaneamente, o teor de umidade diminui naturalmente, contribuindo ainda mais para o ganho de resistência [32]. O aplicativo de cálculo estrutural deve, portanto, recomendar fortemente a utilização de bambu colhido dentro da janela de idade ideal (por exemplo, 3-5 anos) e fornecer valores característicos correspondentes a essa maturidade. Isso enfatiza a importância de práticas de colheita sustentáveis que considerem a qualidade do material.
5.2. Variabilidade Posicional dentro do Colmo (Gradientes de Altura e Radial)
As propriedades do bambu variam significativamente ao longo da altura do colmo e em sua seção transversal radial [32]. Geralmente, a densidade e a resistência aumentam da base para o topo do colmo e das camadas internas para as externas [32]. Essa variação é atribuída à distribuição e densidade dos feixes vasculares e células de parênquima na microestrutura do bambu [32]. O teor de umidade é mais alto na base e mais baixo no topo [34].
Para Guadua angustifolia, a parte superior do colmo tem a maior resistência e MOE devido à maior densidade [32]. A seção inferior do colmo é ideal para colunas, enquanto as seções intermediárias são mais adequadas para vigas [32]. Para Dendrocalamus asper, a resistência à compressão aumenta da base para o topo [31]. Para Dendrocalamus strictus, a gravidade específica diminui do topo para a base [34], e a tensão de tração é maior na porção média, enquanto a tensão de compressão é maior na porção superior [34]. Phyllostachys edulis (Moso) mostra um aumento significativo na densidade relativa da camada interna para a externa [39]. O MOE e a resistência à tração aumentam consideravelmente da camada interna para a externa [39].
A variação das propriedades não é aleatória, mas uma consequência direta do crescimento do bambu e da sua adaptação microestrutural. A densidade e a distribuição dos feixes vasculares (que contêm as fortes fibras de esclerênquima) são maiores nas camadas externas e nas porções superiores do colmo. Essa otimização biológica para suporte de carga e resistência ao vento (por exemplo, distribuição de fibras mais uniforme na base onde a tensão de flexão é máxima) se traduz diretamente nos gradientes de propriedades macroscópicas observados. Um aplicativo de cálculo estrutural deve ir além de tratar o bambu como um material homogêneo. Idealmente, ele deve permitir a especificação da seção do colmo (base, meio, topo) e, potencialmente, da posição radial para um projeto preciso. Isso permite um uso mais eficiente e seguro do material, aproveitando suas resistências inerentes onde são mais altas e considerando as fraquezas onde ocorrem.
5.3. O Papel Complexo dos Nós no Comportamento Mecânico
A presença de nós no colmo do bambu tem um efeito complexo e variável nas propriedades mecânicas [19]. Eles podem atuar como reforços que aumentam a resistência à compressão e ao cisalhamento em certas condições [19, 32]. No entanto, podem diminuir a resistência à tração e flexão devido à interrupção das fibras longitudinais [19, 32]. Todos os espécimes de Bambusa vulgaris com nós falharam no nó durante os testes de tração e flexão [14], indicando uma fraqueza. A norma ISO 22157 [17] enfatiza que a resistência à tração deve ser relatada com a presença de nós nas amostras [17], pois estes podem afetar significativamente os resultados (por um fator de aproximadamente 2) [17].
O comportamento dual dos nós decorre de sua estrutura anatômica distinta. Em tração e flexão, o nó interrompe as fibras longitudinais contínuas e de suporte de carga, criando um ponto fraco onde as concentrações de tensão levam à falha prematura [17, 32]. Em compressão, entretanto, os diafragmas sólidos nos nós atuam como enrijecedores internos, prevenindo a flambagem localizada da parede do colmo e distribuindo as cargas, o que aumenta a resistência à compressão e ao cisalhamento [19, 32]. Essa anisotropia fundamental no nível nodal significa que o projeto estrutural deve considerar explicitamente o tipo de carregamento em relação à presença de nós. Para o aplicativo de cálculo, isso implica que os valores de resistência característicos para elementos de tração e flexão devem ser derivados de testes que incluam nós, representando o limite inferior. Para elementos compressivos, o efeito benéfico dos nós pode ser considerado, mas uma avaliação cuidadosa das relações de esbeltez e do potencial de esmagamento localizado nos nós ainda é necessária. O projeto das conexões é de suma importância: evitar altas tensões de tração diretamente sobre os nós ou projetar conexões que os reforcem é crucial.
5.4. Impacto da Origem Geográfica e Condições de Crescimento
Fatores como clima, altitude, tipo de solo e técnicas de colheita influenciam as propriedades do bambu [34]. Essas condições ambientais afetam o desenvolvimento da microestrutura do bambu, como a densidade e a distribuição dos feixes vasculares, que por sua vez determinam as propriedades macroscópicas [32]. Existem diferenças significativas tanto entre espécies (interespécies) quanto dentro da mesma espécie (intraespécies) devido a variações regionais [34]. Por exemplo, o Dendrocalamus strictus cultivado em condições secas apresenta maior módulo de elasticidade e módulo de ruptura do que em áreas úmidas [34].
A variabilidade regional aponta para a necessidade de dados localizados e um projeto adaptável. Fatores ambientais como precipitação, temperatura, disponibilidade de nutrientes no solo e até mesmo práticas de colheita impactam diretamente a taxa de crescimento, a lignificação e o desenvolvimento da microestrutura do bambu (por exemplo, densidade de fibras, espessura da parede). Essas diferenças microestruturais se manifestam como variações nas propriedades físicas e mecânicas macroscópicas. Confiar apenas em dados globais generalizados para as propriedades do bambu pode levar a projetos imprecisos ou inseguros. O aplicativo de cálculo estrutural deve, idealmente, permitir a entrada da origem geográfica ou fornecer um banco de dados de propriedades categorizadas por região/clima, se houver dados localizados suficientes. Isso ressalta a necessidade de pesquisa regional contínua e esforços de caracterização, e para que as normas nacionais reflitam as espécies de bambu locais e as condições de crescimento.
5.5. Métodos de Tratamento: Aprimorando a Durabilidade e o Desempenho Mecânico
O bambu, em sua forma natural, é suscetível a ataques de fungos e insetos [19], o que limita sua durabilidade em aplicações estruturais [19, 40]. Isso se deve ao alto teor de nutrientes e à absorção de água [19]. Para contornar essa limitação, o tratamento é essencial para aplicações de suporte de carga com vida útil esperada superior a alguns meses [19]. Métodos tradicionais e químicos, como o uso de ácido bórico e borato [40], são comumente empregados para aumentar a durabilidade e a resistência a fungos [19]. A norma NTC 5301 para Guadua recomenda a imersão em solução de borato e ácido bórico (proporção 1:1, concentração de 5%) por cerca de 5 dias, após a colheita entre 3 e 5 anos de idade durante a estação seca e a cura para um MC inferior a 20% [40].
A eficácia desses tratamentos na preservação das propriedades mecânicas ainda é objeto de pesquisa. Tratamentos térmicos excessivos (acima de 200°C) podem degradar a celulose e reduzir a integridade estrutural [32]. Tratamentos alcalinos podem reduzir o MOE e a resistência à tração (até 40% e 20%, respectivamente) devido à deterioração da celulose cristalina e à remoção de hemicelulose/lignina [35]. Por outro lado, tratamentos com plasma mantêm o desempenho mecânico [35]. A preservação com solução de ácido bórico aumenta significativamente a resistência à compressão e à tração para Bambusa vulgaris [14].
O tratamento não é apenas uma medida de preservação, mas um multiplicador de projeto que afeta fundamentalmente o desempenho do material a longo prazo e pode impactar diretamente suas propriedades mecânicas. Tratamentos eficazes (como os boratos) previnem a degradação biológica que, de outra forma, levaria a uma rápida perda da integridade estrutural ao longo do tempo. Alguns tratamentos, ao alterar o comportamento higroscópico do material ou sua estrutura interna, podem até mesmo aumentar a resistência. Por outro lado, tratamentos agressivos podem degradar as cadeias de celulose, que são o principal componente de resistência. A escolha do método de tratamento é uma decisão de projeto crítica com implicações diretas para a durabilidade e o desempenho estrutural. O aplicativo de cálculo estrutural deve fornecer orientação sobre os tratamentos recomendados, seu impacto esperado nas propriedades mecânicas (positivo ou negativo) e a importância da secagem pós-tratamento.
6. Padronização e Metodologias de Teste para Bambu
A inconsistência nos métodos de teste e a falta de uma base de dados global abrangente de propriedades do bambu têm resultado em uma ampla variação nos dados publicados. Para mitigar essa questão e promover a aceitação do bambu como material estrutural convencional, organizações como a ISO (International Organization for Standardization) e a INBAR (International Bamboo and Rattan Organisation) têm desenvolvido e revisado padrões e normas.
6.1. Normas Internacionais para Caracterização Física e Mecânica (ISO 22157)
A ISO 22157:2019 [23] especifica os métodos de teste para a determinação das propriedades físicas e mecânicas do bambu, sendo crucial para o projeto estrutural e fins científicos [17]. Esta norma evoluiu da versão de 2004, adicionando métodos para massa por unidade de comprimento e revisando os métodos de teor de umidade [17].
Os métodos de teste especificados na ISO 22157:2019 [23] incluem:
- (a) Resistência e rigidez à compressão paralelas às fibras: Este teste mede a capacidade do colmo de bambu de suportar compressão ao longo da direção de suas fibras. A norma descreve o método de teste paralelo à grã, mas não perpendicular [17]. Idealmente, as amostras não devem conter nós para uma "imagem correta", pois os nós são as zonas mais fortes sob carga compressiva [17].
- (b) Resistência e rigidez à tração paralelas às fibras: Avalia a capacidade do bambu de resistir a forças de tração ao longo da direção de suas fibras. Requer que as amostras contenham um nó no comprimento de calibração [17], pois os nós afetam significativamente os resultados (por um fator de aproximadamente 2) [17].
- (c) Resistência e rigidez à flexão paralelas às fibras: Realizado em colmos inteiros usando um teste de flexão de três pontos; o comportamento é frequentemente governado por cisalhamento longitudinal [17].
- (d) Resistência ao cisalhamento paralela às fibras: Utiliza um teste "gravata-borboleta", ativando quatro planos de falha, e é interpretado como uma resistência ao cisalhamento de limite inferior [17].
- (e) Resistência à tração perpendicular às fibras: Utiliza um teste de tração com pino fendido, considerado complicado de ser realizado fora de laboratórios bem equipados [17].
- (f) Resistência e rigidez à flexão perpendicular às fibras: Baseado em espécimes redondos, a falha varia com a geometria e a orientação do espécime [17].
A norma também abrange a determinação do teor de umidade, densidade e massa por unidade de comprimento [17]. Com exceção do método de teste de tração, a ISO 22157:2019 foca em métodos de teste que utilizam espécimes de colmo inteiro para melhor atender às necessidades do projeto ISO 22156:2021 [22] e permitir métodos de teste relativamente simples, baseados em compressão, que são mais fáceis de implementar em ambientes menos equipados tecnicamente [17].
A evolução das normas reflete uma compreensão crescente da complexidade do bambu. As revisões e adições à ISO 22157 (como a inclusão de testes perpendiculares, a exigência explícita de nós em espécimes de tração e o foco em testes de colmo inteiro) não são arbitrárias. Elas indicam uma maturação do entendimento científico da anisotropia inerente do bambu e da influência crítica de características anatômicas específicas (como os nós) em seu comportamento mecânico. A mudança para testes de colmo inteiro também aponta para uma abordagem mais prática e aplicável em campo para o projeto estrutural. Essa evolução sublinha o esforço contínuo para padronizar os testes de bambu e superar as inconsistências históricas nos dados. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso significa priorizar dados derivados das normas ISO mais recentes, pois representam os métodos de caracterização mais robustos e representativos. O aplicativo deve indicar claramente quais normas sustentam seu banco de dados de propriedades do material.
6.2. Normas de Projeto Estrutural e Classificação (ISO 22156, ISO 19624)
- ISO 22156:2021 (Projeto Estrutural): Esta norma [22] fornece diretrizes básicas de projeto estrutural para construções com colmos inteiros de bambu. Aplica-se a edifícios residenciais de um e dois pavimentos, pequenos edifícios comerciais ou institucionais e edifícios industriais leves que não excedam 7 m de altura [22]. A norma foca exclusivamente nos requisitos de resistência mecânica, funcionalidade (serviceability) e durabilidade das estruturas de bambu [22]. Permite abordagens de projeto baseadas na capacidade de carga admissível (ACD) e/ou projeto de tensão admissível (ASD), e reconhece os métodos de projeto por fator de segurança parcial (PSFD) e/ou projeto por fator de carga e resistência (LRFD) [22]. No entanto, esta norma não se aplica a produtos de bambu engenheirado (como bambu laminado colado, bambu laminado cruzado, fio orientado ou materiais de bambu densificado) ou materiais reforçados com bambu onde o bambu não é o principal elemento de suporte de carga (incluindo concreto reforçado com bambu, alvenaria ou solo) [22].
- ISO 19624:2018 (Classificação Estrutural/Grading): Esta norma [21] fornece os princípios básicos e procedimentos para a classificação visual e mecânica de colmos de bambu redondos para aplicações estruturais [21]. Seu objetivo é abordar a variabilidade natural, classificando o bambu em graus com base em critérios definidos [21]. Abrange princípios gerais de classificação, requisitos de classificação visual (propriedades de condição, geométricas, teor de umidade, idade na colheita), classificação mecânica (propriedades indicadoras e determinantes do grau) e propriedades estruturais do bambu classificado [21]. É aplicável apenas para bambu classificado no estado seco [21]. Foi adotada como norma nacional nas Filipinas em 2020 [21].
A interdependência entre as normas de teste, classificação e projeto é fundamental para a aceitação do bambu no mercado. Essas normas formam um ecossistema coerente: a ISO 22157 [23] fornece os métodos para caracterizar as propriedades; a ISO 19624 [21] oferece a estrutura para classificar o bambu com base nessas propriedades, abordando a variabilidade; e a ISO 22156 [22], por sua vez, estabelece as regras de projeto para utilizar o bambu classificado em estruturas. Sem uma caracterização confiável (22157), a classificação (19624) é arbitrária. Sem a classificação, o projeto (22156) precisa ser excessivamente conservador. A existência desse conjunto de normas internacionais representa um passo monumental para legitimar o bambu como um material estrutural convencional. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que os dados utilizados devem, idealmente, ser compatíveis com a ISO 22157, e as metodologias de projeto devem estar alinhadas com a ISO 22156, podendo incorporar princípios de classificação da ISO 19624 para permitir projetos mais otimizados e menos conservadores. Essa abordagem integrada é crucial para construir a confiança entre engenheiros e reguladores.
6.3. Normas Nacionais e Regionais (ex: ASTM)
Além das normas ISO, padrões como os da ASTM (American Society for Testing and Materials) são amplamente utilizados para testes de propriedades físicas e mecânicas:
- ASTM D4442: Para determinação do teor de umidade (método de secagem em estufa) [5].
- ASTM D2395: Para densidade e gravidade específica (densidade relativa) de madeira e materiais à base de madeira (vários métodos) [6]. Utilizado para Dendrocalamus asper [31].
- ASTM D1037-12: Métodos de teste gerais para materiais de painéis de fibra e partículas à base de madeira [3], abrangendo MOR, MOE e outras propriedades [3]. Utilizado para MOR e MOE de Dendrocalamus asper [31].
- ASTM D143-09: Métodos de teste padrão para pequenos espécimes claros de madeira, incluindo propriedades de compressão, tração e flexão [4]. Utilizado para propriedades mecânicas do bambu Thai Dendrocalamus Giganteus [38].
- ASTM D5456: Especificação para Avaliação de Produtos de Madeira Compósita Estrutural [7]. Uma revisão proposta visa adicionar o bambu como um material fibroso (bambu laminado de folheado - LVB) que pode ser usado na fabricação desses produtos, fornecendo orientação sobre como o LVB seria avaliado para desenvolver valores de projeto estrutural [7].
É notável que, embora as normas ISO forneçam um arcabouço global, muitos países desenvolveram ou adaptaram suas próprias normas e códigos nacionais, como China (JG/T 199), Colômbia (NTC 5525), Equador (NEC), Índia (IS 6874, IS 15912), Peru, Bangladesh, EUA (ASTM D5456) e Filipinas (PNS ISO). Essa dualidade entre padrões universais e adaptações locais reflete a prevalência de espécies específicas de bambu e as práticas de construção regionais.
As normas nacionais desempenham um papel duplo: localização e preenchimento de lacunas. Elas adaptam as diretrizes globais (como as da ISO) às espécies locais e às práticas de construção, e também preenchem lacunas onde as normas internacionais podem não cobrir totalmente produtos específicos de bambu engenheirado (por exemplo, ASTM D5456 para LVB [7]). Essa localização é crucial para a implementação prática e a aceitação regulatória. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso implica a necessidade de flexibilidade. Embora a adesão às normas ISO para as propriedades essenciais seja ideal, o aplicativo pode precisar incorporar ou referenciar normas nacionais para aplicações regionais específicas ou para produtos de bambu engenheirado não totalmente cobertos pela ISO.
6.4. Lacunas Atuais na Padronização e Necessidades Futuras (ex: Eurocodes)
Apesar do uso milenar do bambu na construção, a padronização de suas propriedades para fins de engenharia é relativamente recente. No entanto, a Europa ainda carece de um Eurocódigo específico para o bambu como material de construção [36], o que dificulta sua ampla adoção. Mais pesquisas são necessárias, particularmente em áreas como resistência ao fogo e durabilidade a longo prazo (comportamento viscoelástico, degradação ambiental). As normas atuais (ISO 22157 [23]) não consideram totalmente as mudanças nas propriedades do material ao longo do tempo devido à viscoelasticidade ou à degradação ambiental [17].
A ausência de um Eurocódigo específico para o bambu representa uma lacuna regulatória que atua como barreira à inovação e à sustentabilidade. A falta de códigos de projeto abrangentes e legalmente vinculativos (como os Eurocodes) cria uma incerteza regulatória significativa para engenheiros e arquitetos, aumentando o risco percebido e a responsabilidade. Essa defasagem regulatória impede diretamente a adoção do bambu, mesmo com suas comprovadas vantagens sustentáveis e mecânicas. Sem caminhos claros para certificação e aprovação, projetos de grande escala hesitam em utilizá-lo. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que, embora possa fornecer dados técnicos robustos, sua implementação prática em certas regiões permanecerá restrita até que os marcos regulatórios se atualizem. Isso destaca a necessidade de defesa contínua, pesquisa e colaboração entre a indústria, a academia e os formuladores de políticas para desenvolver e adotar códigos de construção de bambu abrangentes.
7. Caracterização Detalhada por Gênero e Espécie: Compêndio de Dados Validados
Esta seção apresenta uma compilação detalhada das propriedades físico-mecânicas das principais espécies de bambu dos gêneros Guádua, Dendrocalamus, Phyllostachys e Bambusa, com base na literatura científica disponível. Os dados são apresentados de forma a serem diretamente aplicáveis no desenvolvimento de um aplicativo de cálculo estrutural.
7.1. Gênero Guádua
7.1.1. Guadua angustifolia (Américas)
Guadua angustifolia (comumente conhecida como Guadua) é amplamente reconhecida como uma das espécies de bambu mais importantes para a construção, especialmente na Colômbia e no Equador, devido às suas notáveis propriedades físico-mecânicas [32]. É um material estrutural sísmico-resistente devido à sua excepcional firmeza à compressão, boa resistência ao cisalhamento paralelo e notável flexibilidade [32]. As fibras de Guadua são rugosas, o que proporciona uma boa adesão para compósitos [32].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Aparente (Fibras) | 0.69 | g/cm³ | N/A | Fibras | Colômbia | N/A | [35] |
| Densidade (Controle) | 0.54 | g/cm³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [35] |
| Densidade (Densificada Seca) | 0.81 | g/cm³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [35] |
| Densidade (Densificada Saturada) | 0.83 | g/cm³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [35] |
| Densidade Básica | Até 700 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [32] |
| Teor de Umidade (Fibras) | 8 | % | N/A | Fibras | Colômbia | ASTM D4442 | [35] |
| Teor de Umidade (Colmos) | 18 | % | N/A | N/A | Colômbia | N/A | [32] |
| Absorção de Água (Fibras) | 56.33 | % | N/A | N/A | N/A | N/A | [35] |
| Resistência à Compressão (Caract.) | 36.99 | MPa | N/A | N/A | N/A | ISO 22157-1, ISO 12122-1 | [35] |
| Resistência à Compressão (Média) | 40 | N/mm² | N/A | N/A | Colômbia | N/A | [32] |
| MOE em Compressão (Média) | 18500 | N/mm² | N/A | N/A | Colômbia | N/A | [32] |
| Resistência à Tração (MOE) | 8 (base) - 16.25 (topo) | GPa | N/A | Base/Topo | N/A | N/A | [32] |
| Resistência à Tração (MOE Densif.) | 16.21 (controle) - 31.04 (saturada) | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [35] |
| Resistência à Flexão (MOR) | ~100 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [32] |
| MOE em Flexão | Mais alto nas partes inferior e média | GPa | 4-5 | Inferior/Média | N/A | N/A | [32] |
| Resistência ao Cisalhamento | ~8 (a 56.6% MC) | N/mm² | 3-4 | Meio | N/A | N/A | [32] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades da Guadua variam consideravelmente com a posição no colmo (base, meio, topo) e a idade (ótimo entre 3 e 5 anos) [32]. A seção inferior do colmo, com maior espessura de parede, é ideal para colunas, enquanto as seções intermediárias, mais fibrosas, são mais adequadas para vigas [32]. Estudos indicam que a Guadua angustifolia atinge suas propriedades mecânicas ideais entre 3 e 5 anos de idade [32]. A espessura da parede e o diâmetro externo diminuem linearmente da base para o topo (espessura de 20 a 5 mm, diâmetro de 100 a 30 mm) [32]. O volume de fibras também varia (34% na parte inferior, 41% na média, 43% na superior) [32].
Tratamento: O tratamento com borato e ácido bórico (NTC 5301) é eficaz para a preservação [40]. Tratamentos alcalinos podem reduzir a resistência à tração, enquanto tratamentos com plasma a mantêm [35].
7.2. Gênero Dendrocalamus
7.2.1. Dendrocalamus asper (Ásia, Américas)
Dendrocalamus asper, conhecido como bambu gigante ou Bambu Petung, é uma espécie de bambu entouceirante tropical e subtropical, nativa do Sudeste Asiático e amplamente introduzida na América Latina [9, 31]. É altamente valorizada por sua resistência, altura (até 30 m), colmos retos e paredes espessas, tornando-a um material estrutural de destaque [9].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Básica | 485 (internó 5) - 737 (internó 25) | kg/m³ | N/A | Internó | Sarawak | ASTM D-2395 | [31] |
| Teor de Umidade | 64 (topo) - 143 (base) | % | N/A | Topo/Base | Sarawak | ASTM D-4442 | [31] |
| Teor de Umidade (Média) | 16.02 - 16.79 | % | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Resistência à Compressão (Carac.) | 40.21 | MPa | N/A | N/A | N/A | ISO 22157-1 | [31] |
| Resistência à Compressão (Sarawak) | 42 (internó 5) - 65 (internó 30) | MPa | N/A | Internó | Sarawak | ASTM D143-09 | [31] |
| Resistência à Compressão (Malásia) | 48.26 (base) - 73.65 (topo) | N/mm² | N/A | Base/Meio/Topo | Malásia | N/A | [31] |
| Resistência à Compressão (TDG) | 29.74 - 43.79 | MPa | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Resistência à Tração (Malásia) | 200.75 (meio) - 232.80 (topo) | N/mm² | N/A | Meio/Topo | Malásia | N/A | [31] |
| Resistência à Tração (TDG) | 159.38 - 257.68 | MPa | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Resistência à Tração (Média) | 424.43 (p/ madeira macia) | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [31] |
| Resistência à Flexão (MOR) (Sarawak) | 48 (internó 5) - 228 (internó 25) | MPa | N/A | Internó | Sarawak | ASTM D1037-12 | [31] |
| MOE (Sarawak) | 1163 (internó 5) - 10672 (internó 25) | MPa | N/A | Internó | Sarawak | ASTM D1037-12 | [31] |
| MOE Flexural (Laminado) | 11.215 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [9] |
| Resistência ao Cisalhamento | Mais fraco | N/A | N/A | N/A | N/A | N/A | [31] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades do D. asper variam com a idade (ótimo aos 3-4 anos) [38], a localização no colmo (nó/internó, com internódios geralmente apresentando melhores propriedades) [31] e o teor de umidade [31]. As propriedades também são influenciadas pelo diâmetro do colmo, espessura da parede e densidade específica [31]. A densidade específica está diretamente correlacionada com todas as propriedades mecânicas [31]. Amostras com nós apresentaram maior resistência à compressão, com os nós médios suportando até 64,9 kN [31].
7.2.2. Dendrocalamus strictus (Ásia)
Dendrocalamus strictus, conhecido como Male Bamboo ou Solid Bamboo, é a espécie de bambu mais predominante na Índia [34]. Uma característica distintiva é a capacidade de seus colmos serem quase sólidos em condições secas, enquanto são ocos em ambientes úmidos [34].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Básica | 432 (1 ano) - 458 (3 anos) | kg/m³ | 1-3 | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Densidade (12% MC) | 600-700 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Teor de Umidade | Diminui c/ altura e idade | % | N/A | Base/Meio/Topo | N/A | ASTM | [34] |
| Teor de Umidade (Verde) | 46-77 (topo) a 78-108 (base) | % | 3-4 | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Retração Tangencial | 6-13 | % | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Compressão (Esmag.) | 39.1 - 47 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Compressão (a 58% MC) | 41.46 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Compressão (12% MC) | 56-66 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Tração | 140 - 170 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Tração (Máx) | Até 350 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Flexão (MOR) | 35 - 39.3 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Flexão (MOR a 58% MC) | 93.97 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Resistência à Flexão (MOR a 12% MC) | 84-98 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Módulo de Elasticidade (MOE) | 1.5 - 4.4 | kN/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Módulo de Elasticidade (MOE a 58% MC) | 15.34 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
| Módulo de Elasticidade (MOE a 12% MC) | 13730-17650 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [34] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades do D. strictus variam com a idade (ótimo aos 3-4 anos) [34], a altura do colmo e o teor de umidade [34]. Colmos cultivados em condições secas apresentam maior MOE e MOR do que em áreas úmidas [34]. A resistência à compressão aumenta com o período de secagem (diminui com o MC) [34].
7.2.3. Dendrocalamus giganteus (Ásia)
Dendrocalamus giganteus é uma das maiores espécies de bambu do mundo, nativa do Sudeste Asiático [30]. Seus colmos grandes e robustos são amplamente utilizados em diversas aplicações, como construção [30].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade | 900 (a 19% MC) | kg/m³ | N/A | N/A | Indonésia | N/A | [30] |
| Densidade Básica Aparente (Média) | 0.41 | g/cm³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [30] |
| Densidade Básica | Aumenta do fundo para o topo | kg/m³ | N/A | Base/Topo | N/A | N/A | [30] |
| Teor de Umidade (Média) | 16.02 - 16.79 | % | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Resistência à Compressão | 61.5 | N/mm² | N/A | N/A | Indonésia | N/A | [30] |
| Resistência à Compressão (TDG) | 29.74 - 43.79 | MPa | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Resistência à Tração (TDG) | 159.38 - 257.68 | MPa | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Resistência à Flexão (MOR) | 179 | N/mm² | N/A | N/A | Indonésia | N/A | [30] |
| Resistência à Flexão (TDG) | 2.21 - 3.47 | MPa | 3-4 | N/A | Tailândia | N/A | [38] |
| Módulo de Elasticidade (MOE) | 14044 | N/mm² | N/A | N/A | Indonésia | N/A | [30] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades do D. giganteus variam com a idade (ótimo entre 3 e 4 anos) [38], a localização no colmo (nó/internó) [30] e o teor de umidade [30, 38].
7.2.4. Dendrocalamus latiflorus (Ásia)
Dendrocalamus latiflorus (Ma bamboo) é uma importante espécie comercial de bambu na China [29], valorizada por seus brotos comestíveis e seus colmos maduros são utilizados em construções [29].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Básica | Aumenta com a idade | kg/m³ | 1-3 | N/A | N/A | N/A | [29] |
| Teor de Umidade | Diminui com a idade | % | 1+ | Base/Topo | N/A | N/A | [29] |
| Comprimento da Fibra | 3.01 | mm | N/A | N/A | N/A | N/A | [29] |
| Diâmetro da Fibra | 18.1 | μm | N/A | N/A | N/A | N/A | [29] |
| Espessura da Parede da Fibra | 5.6 | μm | N/A | N/A | N/A | N/A | [29] |
| Resistência à Tração (Fibras) | Superior à madeira macia | N/A | 1-4 | N/A | China | Microtensile test | [29] |
| Módulo de Elasticidade (MOE) (Fibras) | Superior à madeira macia | GPa | 1-4 | N/A | China | Microtensile test | [29] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades de D. latiflorus variam com a idade e a localização no colmo [29]. A variação das propriedades das fibras dentro do colmo é menor do que a variação da densidade de distribuição das fibras no colmo, o que implica que a densidade de distribuição das fibras é mais influente nas propriedades mecânicas do volume [29]. Fibras de 4 anos são mais rígidas e resistentes do que as de 1 ano [29].
7.3. Gênero Phyllostachys
7.3.1. Phyllostachys edulis (Moso) (Ásia, Europa)
Phyllostachys edulis, comumente conhecido como bambu Moso, é a espécie de bambu mais amplamente distribuída e utilizada no mundo, especialmente na China, Japão e Europa [39], sendo um material de construção ideal para estruturas de bambu modernas e sustentáveis [39]. É a espécie mais importante para a fabricação industrial de bambu [27].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Relativa | 0.553 - 1.006 | g/cm³ | 4-6 | Horizontal/Vertical | Zhejiang, China | N/A | [39] |
| Densidade Básica (Média) | 0.64 | g/cm³ | 2 | N/A | N/A | N/A | [39] |
| Densidade (Densificada) | 680 (antes) - 1334 (depois) | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | JIS Z2101 | [27] |
| Teor de Umidade (Seco ao Ar) | ~7 | % | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Teor de Umidade (EMC) | 10.3 (a 65% UR, 20°C) | % | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Retração Tangencial | 4.870 - 7.769 | % | N/A | N/A | Zhejiang, China | N/A | [39] |
| Retração Longitudinal | 0.087 - 0.298 | % | N/A | N/A | Zhejiang, China | N/A | [39] |
| Resistência à Compressão (Axial) | 45 - 65 | MPa | N/A | Altura do colmo | N/A | N/A | [28] |
| Resistência à Compressão (Geral) | 48 - 114 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [25] |
| Resistência à Compressão Radial | ~20 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Resistência à Compressão Tangencial | Similar à radial | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Resistência à Tração (Axial) | 100 (interno) - 800 (externo) | MPa | N/A | Radial | N/A | N/A | [12] |
| Resistência à Tração (Paralela) | Até 309 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Resistência à Tração (Fibras Média) | 1.56 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [26] |
| Resistência à Flexão (MOR) | 70 (verde) - 103 (seco ao ar) | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Resistência à Flexão (MOR) | 50 - 132 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [25] |
| Módulo de Elasticidade (MOE) (Axial) | 5 (interno) - 25 (externo) | GPa | N/A | Radial | N/A | N/A | [12] |
| MOE em Tração (Paralela) | Até 27.4 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| MOE em Flexão | 7.1 - 18.2 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
| Dureza (Janka) | Duas vezes a da Guadua (comparável ao Carvalho Europeu) | N/A | N/A | N/A | N/A | N/A | [32] |
| Resistência ao Cisalhamento | 15 - 20 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [28] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades do Moso são afetadas pela idade (ótimo aos 3-5 anos) [19], posição no colmo (altura e radial) [12, 39], e teor de umidade [28]. A densificação do bambu Moso pode aumentar significativamente sua densidade e MOE [27]. O bambu Moso achatado termicamente modificado apresentou resistência à compressão longitudinal aprimorada (máximo de 57,28 MPa a 180°C/2h) e MOE à flexão reduzido (4479–8986 MPa) em comparação com o não tratado (12.145 MPa) [28]. Comparado com madeiras comuns da América do Norte, o bambu Moso é aproximadamente tão rígido e substancialmente mais resistente em flexão e compressão, mas mais denso [12].
7.3.2. Phyllostachys bambusoides (Japão)
Phyllostachys bambusoides, comumente conhecido como madake ou bambu-madeira-gigante-japonês, é a espécie de bambu mais cultivada no Japão para fins madeireiros [24]. É valorizada por sua resistência e durabilidade [24].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Aparente (Antes Densif.) | 600 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | JIS Z2101 | [27] |
| Densidade Aparente (Após Densif.) | 1100 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | JIS Z2101 | [27] |
| Densidade (Densificada a 25°C) | 1000 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| Densidade (Densificada a 160°C) | 1280 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| Densidade (Densificada a 220°C) | 1380 | kg/m³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| Densidade de Peso Seco (Bases) | 0.61 | N/A | 3 | Base | N/A | N/A | [24] |
| Teor de Umidade (Verde) | 48.9 - 84.2 | % | N/A | N/A | N/A | N/A | [24] |
| Resistência à Tração (Densif.) | 220 | MPa | N/A | N/A | N/A | JIS Z2101 | [27] |
| Resistência à Tração (Densif. a 25°C) | 160 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| Resistência à Tração (Densif. a 160°C) | 320 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| Resistência à Tração (Densif. a 220°C) | 190 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| Resistência à Tração (deslignificação e densificação) | 770 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [31] |
| Módulo de Elasticidade (MOE) (Antes) | 8.5 | GPa | N/A | N/A | N/A | JIS Z2101 | [27] |
| MOE (Após Densificação) | 19.0 | GPa | N/A | N/A | N/A | JIS Z2101 | [27] |
| MOE (Densificada a 25°C) | 8.5 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| MOE (Densificada a 160°C) | 20.0 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
| MOE (Densificada a 220°C) | 27.0 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [27] |
Variações e Condições de Teste: As propriedades do P. bambusoides são afetadas pela idade, teor de umidade e condições de tratamento (por exemplo, densificação) [27]. A densificação melhora significativamente as propriedades mecânicas [27].
7.3.3. Phyllostachys nigra (Europa)
Phyllostachys nigra, conhecido como bambu preto ou bambu-folha-preta, é uma variedade atraente e importante da família do bambu, originária da China e cultivada em muitas partes do mundo, incluindo a Europa [37]. É popular por suas propriedades e aparência estética [37]. É uma espécie de bambu monopodial ("running bamboo") [36].
Propriedades Físicas e Mecânicas (Valores Típicos):
| Propriedade | Valor Típico / Faixa | Unidade | Idade (anos) | Posição no Colmo | Região de Origem | Norma de Teste | Fontes |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Densidade Aparente | 0.4 - 0.9 | g/cm³ | N/A | N/A | N/A | N/A | [37] |
| Teor de Umidade | 5 - 13 | % | N/A | N/A | N/A | N/A | [37] |
| Resistência à Compressão | 40 - 80 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [37] |
| Resistência à Tração | ~160 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [37] |
| Resistência à Tração (Média) | 523.20 ± 111.65 | MPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [26] |
| Módulo de Elasticidade (MOE) | 7000 - 17000 | N/mm² | N/A | N/A | N/A | N/A | [37] |
| Módulo de Elasticidade (Média) | 22.27 ± 6.29 | GPa | N/A | N/A | N/A | N/A | [26] |
Variações e Condições de Teste: Phyllostachys nigra é uma espécie de bambu monopodial ("running bamboo") [36]. A falta de estudos específicos sobre as propriedades mecânicas de espécies de bambu cultivadas na Europa, como Phyllostachys nigra, é uma lacuna de pesquisa que limita sua adoção generalizada na construção europeia [36]. O comportamento mecânico é grandemente influenciado pelas propriedades transversais [36]. A resistência aumenta com a idade, atingindo o pico entre 2,5 e 4 anos [36]. As propriedades degradam-se significativamente com o aumento do MC até aproximadamente 30% (FSP) [36].
7.4. Gênero Bambusa (Dados Complementares)
7.4.1. Bambusa vulgaris
Propriedades Físicas:
- Densidade seca em estufa: 590 kg/m³ [14].
Propriedades Mecânicas:
- Resistência à Compressão: Varia de 60,26 a 78,74 N/mm² (Malásia, 5º mês) [7]. No Quênia: 49,9 MPa (com nós) e 56,7 MPa (sem nós) [14]. Pode exceder 60 MPa com 7% de MC no Brasil [14]. Simulação FEM para Sumatra Utara: 46,70 MPa, 58,33 MPa, 47,65 MPa [13].
- Resistência à Tração: Varia de 231,67 a 233,98 N/mm² (Malásia) [7]. No Quênia: 94,3 MPa (com nós) e 117,9 MPa (sem nós) [14]. Pode exceder 100 MPa no Brasil [14]. Simulação FEM para Sumatra Utara: 194,08 MPa, 182,49 MPa, 156,44 MPa [13].
- Resistência à Flexão: 107,0 MPa (com nós) e 137,7 MPa (sem nós) no Quênia [14].
- MOE na Tração: 3002,2 MPa (com nós) e 3594,0 MPa (sem nós) [14].
- MOE na Compressão: 7268,1 MPa (com nós) e 10405,3 MPa (sem nós) [14].
- Efeito Nodal: Os nós diminuem significativamente a resistência à tração e à flexão, mas não afetam significativamente a resistência à compressão para B. vulgaris [14].
7.4.2. Bambusa multiplex
Propriedades Físicas:
- Densidade: 897-938 kg/m³ (15,5% MC) [33].
Propriedades Mecânicas:
- Resistência à Flexão (MOR): 57,0-71,0 N/mm² (com nós) [33], 78,0-98,3 N/mm² (sem nós) [33].
- Resistência à Compressão: 20,0-27,2 N/mm² (com nós) [33], 26,5-35,7 N/mm² (sem nós) [33].
- Resistência ao Cisalhamento: 49,0-62,0 N/mm² [33].
8. Análise Comparativa e Implicações para a Engenharia Estrutural
As propriedades mecânicas e físicas do bambu não são estáticas; elas variam significativamente entre espécies, regiões geográficas e até mesmo dentro de um único colmo.
8.1. Comparação entre Gêneros e Espécies
Guadua angustifolia geralmente exibe maior resistência (MOE e MOR) e densidade do que o bambu Moso (Phyllostachys pubescens) [32], tornando-a mais adequada para aplicações de suporte de carga (classe de resistência C35) [32]. O Moso, no entanto, é significativamente mais duro (dureza Janka aproximadamente o dobro da Guadua), comparável ao Carvalho Europeu [32], o que o torna adequado para aplicações que exigem resistência à indentação [32].
Dendrocalamus asper e Bambusa vulgaris geralmente possuem excelentes propriedades mecânicas (resistência à compressão e tração) em comparação com Gigantochloa Scortechinii e Schizostachyum Grande [7].
A variabilidade intrínseca é uma característica fundamental do bambu. Essa variabilidade, embora seja um desafio para a padronização e o projeto, também é um reflexo da notável adaptabilidade do bambu a diversos ambientes e de seu rápido ciclo de crescimento. Isso pode ser visto como um "paradoxo do bambu": alta variabilidade, alto potencial. O desafio não é eliminar a variabilidade (que é natural), mas sim caracterizá-la, classificá-la e projetar considerando-a. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que, em vez de depender de valores médios únicos, ele deve incorporar faixas de valores, distribuições estatísticas ou permitir valores característicos definidos pelo usuário com base em fontes e testes específicos. Isso também enfatiza a importância da seleção adequada do material e do controle de qualidade na origem para minimizar a variabilidade e maximizar a confiança no projeto.
8.2. Desempenho do Bambu Tratado vs. Não Tratado
O tratamento é crucial para estender a vida útil do bambu em aplicações estruturais, protegendo-o contra fungos e insetos [19]. O borato e o ácido bórico são opções eficazes e ambientalmente conscientes [40]. A preservação adequada (por exemplo, solução de ácido bórico) pode aumentar a resistência à compressão e à tração para Bambusa vulgaris [14]. No entanto, o tratamento térmico excessivo (acima de 200°C) pode degradar a celulose e reduzir a integridade estrutural [32]. Tratamentos alcalinos podem reduzir o MOE e a resistência à tração [35]. A eficácia dos tratamentos nas propriedades mecânicas é uma área de pesquisa contínua.
O tratamento é mais do que apenas um método de preservação; ele atua como um multiplicador de projeto. Ele altera fundamentalmente o desempenho do material a longo prazo e pode impactar diretamente suas propriedades mecânicas. Tratamentos eficazes (como os boratos) previnem a degradação biológica que, de outra forma, levaria a uma rápida perda da integridade estrutural ao longo do tempo. Alguns tratamentos, ao alterar o comportamento higroscópico do material ou sua estrutura interna, podem até mesmo aumentar a resistência. Por outro lado, tratamentos agressivos podem degradar as cadeias de celulose, que são o principal componente de resistência. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que o status "tratado" versus "não tratado" deve ser um parâmetro de entrada fundamental, com diferentes valores característicos fornecidos. O aplicativo também deve incluir avisos ou recomendações sobre tipos de tratamento específicos e seus efeitos conhecidos nas propriedades mecânicas, incentivando os projetistas a especificar bambu tratado para qualquer uso estrutural de longo prazo.
8.3. Superando Desafios para uma Adoção Estrutural Mais Ampla
O progresso na padronização é evidente: a ISO 22157:2019 [23] é a norma internacional atual para caracterização, a ISO 19624:2018 [21] fornece uma estrutura para classificação, e a ISO 22156:2021 [22] oferece diretrizes de projeto estrutural para colmos inteiros. No entanto, ainda existem lacunas [36]. A Europa, por exemplo, ainda carece de um Eurocódigo específico para o bambu [36]. Pesquisas adicionais são necessárias, particularmente em relação ao comportamento a longo prazo, durabilidade e segurança contra incêndio. As normas atuais (ISO 22157 [23]) não consideram totalmente as mudanças nas propriedades do material ao longo do tempo devido à viscoelasticidade ou à degradação ambiental [17].
A "lacuna de dados" é um gargalo para a aceitação generalizada do bambu. Apesar do progresso significativo na padronização, um banco de dados abrangente, consistentemente medido e publicamente acessível de propriedades do bambu em diversas espécies, idades, regiões e tipos de tratamento ainda é incipiente. Essa lacuna de dados força os engenheiros a depender de suposições conservadoras ou a realizar testes caros e específicos para cada projeto, aumentando o risco e o custo, o que, por sua vez, limita a adoção. A variabilidade inerente aos materiais naturais torna essa coleta e harmonização de dados particularmente desafiadoras. Para o aplicativo de cálculo estrutural, isso significa que, embora possa aproveitar os dados existentes, ele também tem o potencial de se tornar um repositório central para futuros dados de pesquisa padronizados. O aplicativo poderia incluir um mecanismo para que pesquisadores contribuam com dados, promovendo um esforço colaborativo para construir um banco de dados global verdadeiramente abrangente.
9. Conclusões e Recomendações para o Aplicativo de Cálculo Estrutural
A pesquisa aprofundada sobre a caracterização física e mecânica de espécies de bambu, com foco nos gêneros Guadua, Dendrocalamus, Phyllostachys e Bambusa, revela um material com imenso potencial para aplicações estruturais sustentáveis. Suas propriedades mecânicas, como alta resistência à compressão e tração, frequentemente superam as da madeira e, em alguns aspectos, até mesmo as do aço [8]. No entanto, a complexidade de sua estrutura natural e a variabilidade de suas propriedades exigem uma abordagem cuidadosa e informada para sua utilização em engenharia.
Para a composição de uma aplicação de cálculo estrutural utilizando bambu, as seguintes conclusões e recomendações são cruciais:
9.1. Implementação de Entradas de Dados Granulares
O bambu apresenta uma variabilidade significativa em suas propriedades devido a fatores como espécie, idade, teor de umidade, posição no colmo e condições de crescimento. Confiar em médias amplas pode levar a projetos imprecisos ou inseguros. Portanto, o aplicativo deve permitir que os usuários especifiquem a espécie, a idade aproximada (por exemplo, 3-5 anos para propriedades ótimas) e a parte do colmo (base, meio, topo) para refinar os valores das propriedades. O teor de umidade deve ser um parâmetro de entrada obrigatório, pois é o fator mais influente nas propriedades mecânicas e na estabilidade dimensional do bambu. Para dados com alta variabilidade ou dados limitados, o aplicativo pode apresentar faixas de valores ou recomendar valores conservadores de projeto, indicando a fonte e as condições de teste. A inclusão de um banco de dados de propriedades com metadados detalhados (origem, idade, MC, metodologia de teste) é fundamental para que o aplicativo recupere ou calcule valores característicos mais precisos, refletindo o material real utilizado, o que aumenta a confiabilidade do projeto e otimiza o uso do material.
9.2. Integração de Modelos de Materiais Anisotrópicos e Considerações Específicas para Nós
O bambu é um material altamente anisotrópico, com propriedades longitudinais superiores e resistência ao cisalhamento e propriedades transversais consideravelmente mais baixas. Os nós, embora aumentem a resistência à compressão e ao cisalhamento, podem ser pontos fracos para a tração e a flexão. Ignorar essa anisotropia e o papel complexo dos nós pode levar a erros críticos de projeto. A aplicação deve modelar o bambu como um material anisotrópico, distinguindo claramente entre propriedades longitudinais e transversais. Para elementos sujeitos a tração ou flexão, a aplicação deve considerar a presença de nós e, se possível, permitir que os usuários especifiquem se as seções utilizadas incluem ou não nós, utilizando valores característicos derivados de testes que incluam nós (conforme ISO 22157 [17]). Para elementos compressivos, o efeito benéfico dos nós pode ser considerado, mas uma avaliação cuidadosa das relações de esbeltez ainda é necessária. O design de conexões deve ser enfatizado como um ponto crítico, e o aplicativo pode oferecer diretrizes para minimizar as tensões de cisalhamento e transversais em juntas.
9.3. Orientação sobre a Seleção do Material com Base no Tratamento e Durabilidade
O bambu não tratado tem durabilidade limitada e é suscetível a ataques de fungos e insetos [19, 40], enquanto alguns tratamentos podem alterar as propriedades mecânicas [35]. O tratamento é essencial para a durabilidade a longo prazo [19, 40], e a preservação adequada pode até mesmo aumentar a resistência [14]. O aplicativo deve incluir um módulo que forneça informações sobre os vários métodos de tratamento do bambu, seu impacto na durabilidade e seus efeitos conhecidos (positivos ou negativos) nas propriedades mecânicas. Deve solicitar aos usuários que especifiquem se o bambu é tratado e ajustar as propriedades de acordo. Isso educará os usuários sobre a importância do tratamento para a integridade estrutural a longo prazo e permitirá o uso de valores de projeto apropriados para materiais tratados, prevenindo falhas prematuras e promovendo práticas sustentáveis.
9.4. Ênfase em Valores de Projeto Conservadores e Adesão às Normas Internacionais
A inconsistência nos testes e na apresentação de dados, bem como a variabilidade natural do bambu, podem resultar em entradas de projeto não confiáveis. Para propriedades com alta variabilidade ou dados limitados, o aplicativo deve adotar valores de projeto conservadores. Deve citar claramente as normas ISO e as normas nacionais relevantes (por exemplo, ASTM [3, 4, 5, 6, 7]) utilizadas para a validação dos dados e as metodologias de cálculo, promovendo a adesão a protocolos de teste e projeto estabelecidos. Isso garantirá a confiabilidade e a segurança dos projetos, aumentará a confiança no material e alinhará o aplicativo com as melhores práticas globais em engenharia estrutural.
Avenidas Futuras de Pesquisa e Esforços de Padronização Contínuos
A integração desses aspectos na aplicação de cálculo estrutural permitirá que engenheiros e projetistas explorem o potencial do bambu com maior confiança e precisão, contribuindo para a construção sustentável e a inovação no setor. A contínua pesquisa e o desenvolvimento de padrões mais abrangentes são passos fundamentais para consolidar o bambu como um material de construção convencional e de alto desempenho globalmente. As avenidas futuras de pesquisa e padronização incluem:
- Pesquisa contínua sobre o desempenho a longo prazo (fluência, fadiga, viscoelasticidade) e mecanismos de degradação ambiental.
- Desenvolvimento de métodos de teste padronizados para produtos de bambu engenheirado e aplicações compostas.
- Expansão de bancos de dados regionais de propriedades do bambu, correlacionando-os com condições de crescimento e espécies específicas.
- Defesa do desenvolvimento e adoção de códigos de construção nacionais e regionais (por exemplo, Eurocodes) especificamente para o bambu.
- Exploração de métodos avançados de teste não destrutivo (END) para caracterização e classificação rápida e confiável de colmos de bambu in situ.
10. Referências Bibliográficas
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