Avaliação da sensibilidade do ultrassom na detecção de variações de propriedades da madeira em função da posição de retirada na tora

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1 Avaliação da sensibilidade do ultrassom na detecção de variações de propriedades da madeira em função da posição de retirada na tora Cinthya Bertoldo, Raquel Gonçalves e Marcus Vinicius Massak, Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI, Laboratório de Ensaios Não Destrutivos LabEND, Universidade Estadual de Campinas UNICAMP. Campinas/SP. cinthyabertoldo@gmail.com, raquel@feagri.unicamp.br e marcusvmassak@yahoo.com.br Resumo: As propriedades da madeira são influenciadas pela posição das peças ao longo do comprimento e do diâmetro da árvore. Identificar essas variações de propriedades da madeira permitiria seu uso mais adequado e racional, pois a destinação de peças seria feita em função das necessidadess de rigidez exigida. Desta forma, o objetivoo deste trabalho foi verificar se o ensaio de ultrassom permite detectar diferenças de propriedades em vigas retiradas de diferentes posições ao longo das toras. Para avaliar a influência da posição longitudinal, de cada árvore foram retiradas três toras, com 3,5 m de comprimento, identificadas como tora da base, tora 2 e tora 3. Para avaliar a influência da posição radial de retirada da peça o desdobro das toras foi realizado considerando 6 posições radiais, as quais foram denominadas de A (vigas mais próximas à casca), B, C, D, E e F (vigas mais próximas da medula). Após o processo de secagem das vigas a 12% de umidade foram realizados os ensaios de ultrassom e de flexão, os quais permitiram o cálculo do coeficiente de rigidez (C LL ), do módulo de elasticidade (E M ) e do módulo de ruptura (f m ). Foi possível verificar que o uso de peças de dimensões estruturais dificulta a metodologia, pois não permite, em alguns casos, retirar as vigas integralmente em uma mesma região. Apesar do problema metodológico foi possível verificar que o uso do coeficiente de rigidez, proveniente do ensaio de ultrassom, permite avaliar as variações de propriedades nas diferentes posições de retirada da peça ao longo do tronco, tanto longitudinal quanto radial. Palavras-chave: Módulo de elasticidade, coeficiente de rigidez, densidade. Abstract: The properties of a wood piece depend on the position longitudinal and radial on the tree. Identify these differences allows the rational use of the material because the use could be done as a function of the stiffness required. The main propose of this work is to verify if the ultrasound test could identify differences between properties of beams cutting from different positions in the tree. For evaluate the differences in longitudinal positions, from each tree were obtained 3 logs with 3m length, identified as base log and logs 2 and 3. The radial differences were evaluated using 6 different radial positions called A (next to the bark), B, C D, E and F (next to the pith). After the drying process the beams, with approximately 12% moisture content, were tested using ultrasound and bending test. With these tests the stiffness coefficient (C LL ), the modulus of elasticity (E M ) and the modulus of rupture (f m ) were determined. We observed that the beam size is too big to allow, in many cases, extract the beams completely inserted into the same radial position. Despite of this methodological problem it was possible verify that the use of C LL, obtained by the ultrasound test, allows identify variations of properties in the different positions of the beams in the log, both longitudinal and radial. Keywords: Modulus of elasticity, stiffness coefficient, density. 49

2 1. Introdução A obtenção de informações estratégicas sobre as propriedades da madeira é o desejado tanto por fornecedores quanto por compradores desse material, pois permitiria o planejamento silvicultural e a comercialização de madeira baseada nas propriedades de interesse para a produção de um determinado produto. Segundo Brashaw (2009) (1) o conhecimento e a efetiva aplicação de ensaios não destrutivos no material madeira têm crescido em todo o mundo e tem sido foco constante de avanços. No caso específico do ultrassom as pesquisas vêm evidenciando a eficácia do método na determinação das propriedades mecânicas da madeira. Em seu livro Bucur (2006) (2) apresenta resultados de autores de várias partes do mundo que demonstraram a viabilidade de se utilizar o ultrassom na determinação de propriedades de rigidez da madeira. Waubke em 1981 na Alemanha foi um dos primeiros a propor faixas de velocidade para a classificação estrutural da madeira, seguido por Sandoz em 1990 e Steiguer em 1996, ambos na Suiça (Bartholomeu, 2001 (3) ). No Brasil, o trabalho de pesquisa de muitos anos utilizando a tecnologia do ultrassom em dicotileôneas (Bartholomeu, 2001 (3) ; Bartholomeu e Gonçalves, 2007 (4) ; Gonçalves e Bartholomeu, 2000 (5) ; Gonçalves e Bartholomeu, 2007 (6) ; Bartholomeu e Gonçalves, 2007 (7) ; Bartholomeu e Gonçalves, 2006 (8) e Gonçalves et al., 2004 (9) ) permitiram a elaboração de Norma Brasileira de Classificação Estrutural da Madeira por ultrassom (NBR 15521, 2007 (10) ). Ainda no Brasil podem ser citados outros autores, de diferentes grupos de pesquisa, que vêm atuando em estudos visando a avaliação do uso do ultrassom na determinação de propriedades da madeira (Oliveira et al., 2003 (11), Nogueira e Ballarin, 2007 (12) e Ballarin e Nogueira, 2005 (13) ). Os resultados dessas pesquisas são validados tanto pela teoria de propagação de ondas associada à teoria da elasticidade quanto pela comparação com resultados obtidos em ensaios destrutivos, os quais apresentam correlações estatisticamente s significativas. As propriedades da madeira são influenciadas pela posição de retirada das peças ao longo do comprimento e do diâmetro da árvore. Identificar essas variações de propriedades da madeira permite uso mais adequado e racional, pois a destinação de peças poderia ser feita em função das necessidadess de rigidez exigida. Peças com maior rigidez poderiam ser destinadas à aplicações estruturais enquanto que aquelas com menor rigidez à aplicações nas quais não houvesse necessidade de resistências elevadas, agregando valor a todo o material e, ao mesmo tempo, permitindo que maiores investimentos em transformação fossem realizados somente nas peças com maior valor agregado. Segundo Malan (1995) (14) as variações das propriedades da madeira ocorrem devido a diferenciação na posição radial do lenho juvenil e adulto na tora. A proporção de madeira juvenil e adulta de uma tora varia de acordo com a idade da árvore, das condições ambientais e forma de manejo a que a árvore foi submetida. Contudo, diferentes árvores provenientes de uma mesma floresta e da mesma idade podem apresentar variações nas proporções de madeiras juvenis e adultas em seus troncos. Algumas propriedades físicass e mecânicas da madeira de pinus foram avaliadas em função da idade e da posição radial na tora e verificou-se um aumento da massa específica, da resistência à compressão paralela às fibras e a resistência à flexão no sentido da medula à casca (Oliveira et al., 2006 (15) ). Cruz, Lima e Muniz (2003) (16) ) estudaram sete clones de eucalipto com o objetivo de avaliar propriedades físicas e mecânicas da madeira assim como suas variações radiais e longitudinais. Para isso estudaram dados de densidade e contrações lineares e volumétricas, além de quatro características mecânicas da madeira: módulo de elasticidade 50

3 e módulo de ruptura em flexão estática, módulo de elasticidade em compressão paralela às fibras e resistência à compressão paralela as fibras. Os resultados indicaram que tanto as propriedades físicas quanto as propriedades mecânicas apresentaram maiores variações na direção da medula para a casca do que da base para o topo das árvores, mostrando a importância do conhecimentoo das variações radiais na tora, para a classificação da madeira serrada e conseqüente homogeneização dos lotes. Na prática as empresas podem atingir benefícios por meio da aplicação de estratégias de classificação baseadas na qualidade dos recursos que possuem e nos produtos que desejam comercializar. Assim, caso a velocidade de propagação de ondas de ultrassom esteja sendo utilizada como parâmetro de classificação, o valor limite pode ser determinado para cada empresa em função da seleção dos tipos de aplicações que deseja, separando as vigas com maiores velocidades para aplicações estruturais, por exemplo. Desta forma, o objetivo deste trabalho é verificar se o ultrassom tem sensibilidade suficiente para detectar diferenças de propriedades em vigas retiradas de diferentes posições radias nas toras e longitudinais nas árvores. 2. Material e métodos Como amostragem para a pesquisa foram utilizadas cinco árvores de Eucalipto grandis. Inicialmente as árvores foram cortadas em três toras, identificadas como tora da base, tora 2 e tora 3, com 3,5 m de comprimento cada (fig. 1). Cada tora foi identificada em relação à árvore de procedência e a posição longitudinal. Figura 1 - Esquema do posicionamento das toras. As toras foram então desdobradas em vigas de seção transversal nominal 0,05 m x 0,10 m. O desdobro foi acompanhadoo de forma que foi possível identificar a posição de retirada da 51

4 viga em relação ao diâmetro, as quais foram denominadas de A (vigas mais próximas à casca), B, C, D, E e F (vigas mais próximas da medula), como ilustrado na fig. 2. Figura 2 - Esquema de retirada das vigas da tora. As vigas foram então encaminhadas ao SENAI de Itatiba para secagem em câmara de climatização com controle de umidade relativa e de temperatura, até atingirem umidade em torno de 12% - umidade de referência da norma NBR 7190 (1997) (17). Nessa condição cada viga foi ensaiada de forma não destrutiva utilizando para isso equipamento de ultrassom (USLab) desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Ensaios Não-Destrutivos (LabEND) da Faculdade de Engenharia Agrícola (FEAGRI- Unicamp) em associação com uma empresa de base tecnológica (AGRICEF) e transdutores longitudinais de faces planas de 45 khz de freqüência (fig. 3). Paraa as medições os transdutores foram posicionados nas extremidades (propagação longitudinal) em três pontos da seção transversal, de acordo com a norma NBR 15521, (2007) (10) (fig. 4). Figura 3 - Equipamento de ultrassom (USLab) e transdutores longitudinais de faces planas. 52

5 Figura 4 - Ensaio de ultrassom na viga. De posse do comprimento da viga (L) e do tempo (t) de propagação da onda calculou-se a velocidade de propagação da onda. Com os dados de velocidade e de densidade na viga foi possível calcular o parâmetro não destrutivo a ser utilizado nas avaliações o coeficiente de rigidez (eq. 1). 2 CLL = ρ * V (1) Onde: CLL = coeficiente de rigidez do material ; ρ = densidade do material (kg.m - ³); V = velocidade de propagaçãoo da onda (m.s -1 ). Após os ensaios não destrutivos de ultrassom as vigas foram ensaiadas à flexão estática (fig. 5), de acordo com a ASTM D198 (2008) (18), para a determinação do módulo de elasticidade (E M ) e do módulo de ruptura (f m ). Figura 5 - Ensaio de flexão estática na viga. O f m foi calculado utilizando-se o momento máximo (eq. 2). 53

6 f m = 3Pmax L 2 2bh (2) Onde: L = vão livre (distância entre os apoios); b = largura da viga; h = altura da viga. O E M foi determinado utilizando-se o trecho linear do gráfico carga x deslocamento vertical (ou tensão x deformação) (eq. 3). E M ( P40 % P20 %) L = 3 4 bh ( 40% 3 20% ) (3) Onde: P 20% e P 40% são as cargas correspondentes a 20% e 40% da carga P max ; 20% e 40% são os deslocamentos correspondentes às cargas P 20% e P 40% %; L = vão livre; b = largura da viga; h = altura da viga. Para avaliar se, estatisticamente, as variáveis (C LL, E M e f m ) foram afetadas pelos fatores (posição de retirada da peça em relação à altura e ao diâmetro) foi utilizada análise de variância Tabela de ANOVA, que decompõe a variabilidade da variável analisada nos fatores adotados. A contribuição de cada um dos fatores é medida removendo-se os efeitos dos demais. O P-valor testa a significância estatística de cada fator. Se o P-valor determinado for menor do que 0,05 o fator tem efeito estatisticamente significativo com 95% de nível de confiança. Detectada variação estatisticamente significativa foi realizado o Multiple range test, que permite verificar quais médias são estatisticamente diferentes das outras, indicando os grupos homogêneos e os que apresentam diferenças. 3. Resultados e discussões A tab. 1 e a tab. 2 resumem os resultados médios das variáveis (C LL, E M e f m ) analisadas em função das posições longitudinal e radial, respectivamente. Tabela 1 Valores médios de módulo de elasticidade (E M ), módulo de ruptura (f m ) e coeficiente de rigidez (C LL ) obtidos nas diferentes posições longitudinais. Madeira a 12% de umidade. Posição Longitudinal Tora da Base Tora 2 Tora 3 E M f m C LL

7 Tabela 2 Valores médios de módulo de elasticidade (E M ), módulo de ruptura (f m ) e coeficiente de rigidez (C LL ) obtidos nas diferentes posições radiais. Madeira a 12% de umidade. Posição Radial A B C D E F E M f m C LL Em termos de variação longitudinal verifica-se que, numericamente, C LL L e E M apresentam valores menores na tora da base enquanto para o f m apresentou valores maiores. Esse resultado indica que o parâmetro do ensaio não destrutivo obtido na direção paralela às fibras está mais associado à rigidez do que à resistência. Das análises estatísticas se concluí que, para todos os parâmetros (destrutivos ou não destrutivos), as diferenças são estatisticamente significativas somente para a tora da base, sendo os valores obtidos nas toras 2 e 3 estatisticamente iguais. Em termos de variação radial verifica-se que, numericamente, todos os parâmetros (destrutivos ou não destrutivos) cresceram da medula para a casca (de F para A). No entanto, a influência dessa posição não foi igualmente significativa para todos os parâmetros analisados. O parâmetro mais afetado foi o f m (700%) seguido do E M (84%) e do C LL (53%). Infelizmente foi observado que a metodologia de retirada das peças não foi a mais adequada para essa avaliação, tendo afetado principalmente os ensaioss de ultrassom. As peças tinham seções grandes e, em função do diâmetro da tora, às vezes não era possível a retirada da viga inteiramente inserida em uma determinada região. Tendo em vista que a medição de ultrassom foi realizada em três pontos na viga (superior, centro e inferior), em algumas vigas houve mistura de regiões, reduzindo portanto a influência da posição no parâmetro não destrutivo (C LL L). Essa verificação indica que, para a obtenção de resultados mais efetivos da avaliação das diferenças de propriedades com a posição radial seria necessário trabalhar com peças menores, permitindo que toda a peça fosse pertencente a uma mesma região. Esse aspecto metodológico também afetou os demais parâmetros, mas com intensidadee menor em virtude do tipo de ensaio flexão. O f m foi o parâmetro mais afetado pela posição radial e, nesse caso, as diferenças foram muito grandes mesmo com o problema metodológico de retirada das peças, pois o ensaio de flexão evidencia o ponto crítico (defeitos, presença de medula etc.). De forma intermediária ficaram as variações de E M e C LL, as quais também evidenciaram muita influência da posição de retirada. Analisando de forma mais profunda os resultados, utilizando-se testes estatísticos em lugar de apenas observações numéricas verifica-se que o módulo de ruptura (f m ) apresentou resultados estatisticamente iguais somente nas posições E e F. Esse mesmo resultado foi captado também pelo coeficiente de rigidez, confirmando a sensibilidade do uso desse parâmetro não destrutivo na captação das diferenças de rigidez das peças em função da posição de retirada. Por outro lado, o módulo de elasticidade apresentou diferença estatística em função da posição somente para as regiões A e B, sendo estatisticamente iguais para todas as demais posições. 55

8 4. Conclusão O uso de vigas de grandes dimensões em relação ao diâmetro das toras não é adequado para avaliar a variação de propriedades em relação à posição radial de retirada pois não permite isolar de forma completa as regiões de análise. Apesar do problema metodológico citado verifica-se que o uso do coeficiente de rigidez permite avaliar as diferenças de propriedades nas diferentes posiçõess de retirada tanto longitudinal quanto radial. 5. Referências bibliográficas (1) Brashaw, B.K.; Bucur, V..; Divos, F.; Gonçalves, R.; Lu, J.X.; Meder, R.; Pellerin, R.; Potter, S.; Ross, R.J.; Wang, X.; Yin, Y. (2009). Nondestructive Testing and Evaluation of Wood A Worldwide Research Update. Forest Products Journal. v. 59, p (2) Bucur, V. (2006). Acousticss of wood. Springer-Verlag, Berlin, Germany, 393p. (3) Bartholomeu, A. (2001). Classificação de peças estruturais de madeira através do ultra- Na área de som. Campinas (SP). 105 p. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) concentração de Construções Rurais, Faculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas. (4) Bartholomeu, A.; Gonçalves, R. (2007). Prediction of the Module of Elasticity (MOE) in Beams of Eucalyptus using the Longitudinal velocity of ultrasonic waves. E-Journal of Nondestructive Testing and Ultrasonics. v. 12, p (5) Gonçalves, R.; Bartholomeu, A. (2000). Avaliação do desempenho de ensaios não destrutivos em vigas de madeira de Eucalyptus citriodora e Pinus elliottii. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental. Campina Grande, PB. v. 4, n. 2, p (6) Gonçalves, R.; Bartholomeu, A. (2007). Ultrasound and transverse vibration to determine the modulus of elasticity of wood on static bending. In: 15TH INTERNATIONAL NONDESTRUCTIVE TESTING OF WOOD SYMPOSIUM, Duluth, Proceedings of Wood NDT, v. 1. (7) Bartholomeu, A.; Gonçalves, R. (2007). Predição do módulo de elasticidade à flexão (E M ) em vigas de eucalipto saturadas e secas ao ar utilizando a velocidade longitudinal de ultrasom. In: CONFERÊNCIA PANAMERICANA DE END, Buenos Aires, Anais da IV Conferência Panamericana de END, v. 1. (8) Bartholomeu, A.; Gonçalves, R. (2006). Método para classificação de vigas de madeira de dicotiledônea utilizando o Ultra-Som. In: SEMINÁRIO SOBRE APLICAÇÃO DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS EM MADEIRA E MATERIAIS A BASE DE MADEIRA, Itatiba, v. 1. p (9) Gonçalves, R.; Bartholomeu, A.; Guimarães, I.; Camargo, I. (2004). Velocidade de propagação de ondas de ultra-som em vigas estruturais e classes de resistência da NBR- 7190/97 em peças estruturais de dicotiledôneas. In: ENCONTRO BRASILEIRO DE MADEIRAS E DE ESTRUTURAS DE MADEIRA, Cuiabá, Anais do EBRAMEM, v

9 (10) Associacão Brasileira de Normas Técnica (2007) NBR Ensaios não destrutivos Ultra-som Classificação mecânica de madeira serradaa de dicotiledôneas Rio de Janeiro. 8p. (11) Oliveira, F. G. R. et al., (2003). Avaliação de Propriedades Mecânicas da Madeira por Meio de Ultrassom, In: III PAN-AMERICAN CONFERENCE FOR NONDESTRUTIVE TESTING, Rio de Janeiro, (12) Nogueira, M.; Ballarin, A. W. (2007). Determinação dos módulos de elasticidade da madeira de P. taeda L. com ensaios não-destrutivos. Energia na Agricultura. v. 22, p (13) Ballarin, A. W. ; Nogueira, M. (2005). Determinação do módulo de elasticidade da madeira juvenil e adulta de Pinus taeda por ultrassom. Engenharia Agrícola, Jaboticabal. v. 25, n. 1, p (14) Malan, F. S. (1995). Eucalyptus Improvement for Lumber Production, In: SEMINÁRIO INTERNACIONAL E UTILIZAÇÃO DA MADEIRA DE EUCALIPTO PARAA SERRARIA, São Paulo, p (15) Oliveira, F. L. et al., (2006). Propriedades da Madeira de Pinus taeda L. em Função da Idade e da Posição Radial na Tora, Revista Instituto Florestal, São Paulo. v. 18, p (16) Cruz, R.C.; Lima, J. T.; Muniz, G. I. B. (2003). Variação de algumas propriedades físicas e anatômicas da madeira de Liquidambar styraciflua L. (sweet gum) em função da posição radial na tora em diferentes classes de diâmetro. Scientia Forestalis. n. 64, p (17) Associação Brasileira de Normas Técnicas (1997). NBR 7190 Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro. 107p. (18) American Society for Testing and Materials (2008). D Static tests of Timbers in Structural Sizes. Philadelphia, USA. 57

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