Palavras-chave: juntas estruturais coladas multilaminares, Eucalyptus, Pinus

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1 DESEMPENHO DE JUNTAS MULTILAMINARES COLADAS SUJEITAS À ESFORÇOS SIMULTÂNEOS DE FLEXÃO, COMPRESSÃO E CORTANTE, FEITAS DE PINUS E MISTAS DE PINUS E EUCALYPTUS Alfredo Petrauski (apetrauski@unioeste.br), Sandra Maria Ferreira Couri Petrauski (spetrauski@unioeste.br), Marcio Ricardo Graff, Vanessa Xavier Dias Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Campus de Cascavel - Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas RESUMO: Em trabalho anterior avaliou-se o desempenho de juntas coladas mistas feitas de Pinus e Eucalyptus utilizando-se metodologia da ASTM D-905 (1994). Observou-se que a colagem das duas espécies permite confeccionar juntas coladas de boa resistência e com elevado percentual de falha na madeira. Foram então produzidas oito juntas estruturais multilaminares, compreendendo cada uma cinco camadas de lâminas, aptas a absorver simultaneamente esforços de flexão, compressão e cisalhamento. Destas, quatro foram feitas utilizando-se madeira de Pinus e outras quatro com lâminas de Eucalyptus nas faces externas e de Pinus na porção interna. Todas as juntas apresentavam geometria idêntica com colagem das lâminas, na região da ligação, com ângulo de 64º entre as fibras da madeira. Aquelas feitas mistas de Eucalyptus e Pinus apresentaram resistência média de 97,68 kn enquanto aquelas feitas exclusivamente de Pinus apresentaram resistência média de 82,40 kn. Posteriormente, utilizando-se apenas madeira de Pinus, fora conduzido outro experimento no qual foram produzidas 20 juntas estruturais também constituídas de cinco camadas de lâminas, nas quais trabalhou-se com quatro diferentes opções na composição das camadas. Em um dos tratamentos, todas as cinco camadas foram feitas com tábuas inteiras. Nos outros três tratamentos uma, duas ou até três camadas eram feitas com tábuas emendadas na largura e simplesmente justapostas. Enquanto resistência, não houve diferença estatística entre os tratamentos tendo, o conjunto, apresentado resistência média da ordem de 42,13 kn, bem superior à expectativa de carga de projeto. A rigidez, porém, daquelas feitas com peças inteiras nas diferentes camadas foi ligeiramente superior. Palavras-chave: juntas estruturais coladas multilaminares, Eucalyptus, Pinus MULTILAMINATED GLUED JOINTS PERFORMANCE SUBJECT TO FLEXION, COMPRESSION AND SHEAR SIMULTANEOUS EFFORTS, MADE OF PINUS AND MIXED OF PINUS AND EUCALYPTUS ABSTRACT: In a previous paper it was evaluated the performance of mixed glued joints made of Pinus and Eucalyptus using the ASTM D-905 (1994) methodology. It was observed that the adhesive process of putting together both species allows us to produce glued joints with very good resistance and with a high percentage of imperfection on the wood. Multilaminated structural joints were produced, comprehending five layers of wooden sheets, which were able to absorb simultaneous efforts of flexion, compression and shearing. Among those, four were made using Pinus wood and other four with Eucalyptus sheets on the external faces and Pinus in the internal part. All joints had identical geometry with gluing of sheets in the connection region with a 64º angle between the wood fibers. The mixed ones made of Eucalyptus and Pinus have shown medium last resistance of 97,68 kn while those made exclusively of Pinus have shown medium last resistance of 82,40 kn. After that, another experiment was conducted, using Pinus wood, on which 20 structural joints were produced, also made of five layers of wooden sheets, using four different options on the layers composition. In one of the treatments all five layers were made with entire boards. The other three treatments were made with width connected boards and just juxtaposed. There was no statistical difference on resistance between the treatments, having the set shown medium last resistance of 42,13 kn, much higher than the project load expectation. However, the rigidity on those made with entire pieces of wood on all layers was slightly superior. Keywords: multilaminated glued structural joints, Eucalyptus, Pinus

2 1. INTRODUÇÃO A preocupação de aproveitamento de qualquer material, atualmente, não é somente uma questão financeira e tecnológica, mas também, ambiental. Uma das principais causas do desperdício de materiais está associada à falta de conhecimento relativo aos seus potenciais de aplicação. Em se tratando da utilização de madeira, a prática de executar estruturas ou partes destas em Madeira Laminada Colada MLC vem suprir a necessidade de um material ecologicamente correto e com características mecânicas adequadas à construção civil. Existem várias vantagens no emprego da técnica, dentre as quais destaca-se o aproveitamento racional da matéria-prima, visto que o material é composto de pequenas peças unidas entre si por adesivo, formando uma estrutura de grande porte. Além disso, a seção transversal das peças pode variar de acordo com as tensões solicitantes na seção, evitando gastos excessivos de material. Importante também ressaltar que esse método de fabricação permite o uso de lâminas de menor qualidade nas zonas de baixa solicitação e de lâminas de melhor qualidade nas zonas de maior solicitação, possibilitando o uso de espécies distintas na mesma peça, o que contribui para minimizar custos. Considerando-se recente o uso da técnica no Brasil, se comparado ao estudo e emprego do material em outros países, existe a necessidade de se adequar o conhecimento já gerado à nossa realidade, ou seja, faz-se necessário conhecer o potencial de nossas madeiras principalmente no que se refere a propriedades mecânicas e de adesão. Dentre os estudos realizados por pesquisadores brasileiros pode-se destacar algumas contribuições significativas, em especial ao referente à confecção de juntas estruturais em MLC sem a utilização de qualquer outro tipo de ligação que não o adesivo, com peças que apresentam angulações entre as fibras da madeira. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar comparativamente o desempenho de juntas estruturais em MLC utilizando madeira de Pinus sp., sujeitas a ações compatíveis com aquelas presentes em nós rígidos de pórticos de uso corrente. Foram construídas e submetidas a ensaios destrutivos juntas com número distinto de lâminas por camadas, apresentado 4 diferentes composições, com cinco repetições para cada tipo. As peças apresentaram angulações entre as fibras e o único tipo de ligação utilizado foi o adesivo. Os resultados obtidos em pesquisas anteriores somados aos desta pesquisa possibilitaram avaliar o desempenho de juntas multilaminares coladas, feitas de Pinus e mistas de Eucalyptus e Pinus, sujeitas a esforços simultâneos de flexão, compressão e cortante. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA De acordo com a Norma vigente no Brasil, em peças de madeira laminada colada a colagem das lâminas do conjunto deve ser feita com as fibras de madeira paralelas entre si (NBR 7190/97). Alguns pesquisadores, porém, estudam a colagem de lâminas dispostas a diferentes ângulos entre as fibras de madeira. PETRAUSKI (2000) estudou a técnica da madeira laminada colada (MLC) na feitura de estruturas para cobertura, utilizando Eucaliptus grandis, em que todas as ligações entre as barras foram viabilizadas exclusivamente por meio de adesivo. Tais estruturas tratavam-se de tesouras

3 tipo fink, construídas em escala real, com vão livre de 8 m e aptas ao suporte de cobertura com telha cerâmica. Inicialmente, foi conduzido um estudo relativo ao comportamento de juntas coladas de Eucaliptus grandis utilizando-se adesivo à base de resorcinol-formaldeído, com o objetivo de avaliar a influência sobre a resistência das juntas das variáveis pressão de colagem, consumo de adesivo e a aplicação do adesivo em uma ou ambas as faces a serem coladas. Conclui-se que houve influência das variáveis estudadas e que é possível o uso de vários tratamentos, objetivando juntas com resistência equivalente à da madeira sólida. Em outro experimento, estudou-se a validade do modelo de Hankinson na predição da resistência de juntas coladas a diferentes ângulos entre as fibras da madeira. Os resultados indicaram a possibilidade do uso do referido modelo. Com base nos resultados obtidos, foram construídas seis estruturas para cobertura que, submetidas a teste de carga, apresentaram desempenho muito satisfatório, quer por critérios de resistência ou rigidez. Concluiu-se pela viabilidade técnica da execução desse tipo de estrutura, com destaque para o bom desempenho das ligações coladas. COSTA ARAÚJO (2000) dimensionou, construiu e submeteu a ensaios, juntas estruturais reais para uso em ligações rígidas de pórticos, utilizando Eucaliptus grandis e adesivo à base de resorcinol-formaldeído. Os resultados indicaram a viabilidade técnica da execução das ligações em pórticos no sistema MLC, apresentando, em média, um coeficiente de segurança da ordem de 7,70 em relação a carga de projeto. O critério de verificação adotado mostrou-se confiável. GOTARDO (2003) avaliou o desempenho de juntas estruturais em MLC, utilizando adesivo à base de resorcinol-formaldeído como único meio de ligação, sujeitas a ações compatíveis com aquelas presentes em nós rígidos de pórticos triarticulados de uso corrente. As juntas foram julgadas por critérios de resistência e rigidez, apresentando uma relação entre carga de ruptura e carga de projeto de 5,62. O incremento das tensões nos bordo comprimido e no bordo tracionado das juntas apresentou comportamento linear para cargas próximas a 3 vezes a carga de projeto e, os modos de ruptura foram condizentes com as expectativas teóricas. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Todo o experimento foi conduzido nas dependências dos laboratórios do Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da UNIOESTE, Campus de Cascavel. As madeiras utilizadas foram o Eucalyptus grandis e o Pinus sp. O adesivo utilizado na confecção das juntas foi a resina resorcinol-formaldeído, cedido pela Bordem Química/PR. Nos dois experimentos conduzidos a geometria das juntas foi similar e está ilustrada na Figura 1. Perceba-se que tais juntas, previstas para aplicação em nós rígidos de pórticos, estarão sujeitas quando em serviço à esforços simultâneos de flexão, normal e cortante Ensaio de juntas feitas mistas de Eucalyptus e Pinus Foram confeccionadas oito juntas estruturais, em escala real, conforme o ilustrado na Figura 1. Todas as juntas eram compostas por cinco camadas de lâminas inteiras, apresentando uma angulação de 64º entre as barras assim formadas. Destas, quatro juntas foram feitas utilizando-se exclusivamente lâminas de Pinus sp. e outras quatro utilizando-se Eucalyptus grandis nas lâminas externas e lâminas de Pinus sp. internamente. As duas espécies de madeira foram caracterizadas anteriormente tendo-se obtido, respectivamente, para o Eucalyptus e o Pinus as seguintes resistências características à compressão paralela: 40 MPa e 44 MPa.

4 As juntas foram montadas em gabarito especialmente construído para este fim. Haja vista o uso de cinco camadas existiram quatro planos de colagem. O adesivo foi aplicado tendo-se estabelecido um consumo da ordem de 300 g/cm 2, através de pincel e em apenas uma das faces a serem unidas. O tempo de montagem em aberto foi nulo e aquele em fechado de aproximadamente 25 minutos. Após montagem as juntas permaneceram sob pressão por pelo menos 12 horas. Os ensaios destrutivos foram realizados em Máquina Universal de Ensaios e só foram conduzidos passados, no mínimo, oito dias. A Figura 2 ilustra a montagem das juntas. Figura 1 Esquema geral das juntas testadas Figura 2 Esquema de montagem das juntas

5 3.2. Ensaio de juntas feitas de Pinus segundo quatro composições diferentes nas camadas Neste experimento foram produzidas ao todo vinte juntas estruturais em escala real, segundo o esquema da Figura 1, feitas todas com cinco camadas e exclusivamente de Pinus sp. Foram divididas em quatro tratamentos, com cinco repetições cada, que diferenciavam entre si pelo número de lâminas utilizadas em cada camada, conforme ilustrado na Figura 3. CAMADA 01 CAMADA 02 CAMADA 03 CAMADA 04 CAMADA 05 CAMADA 01 CAMADA 02 CAMADA 03 CAMADA 04 CAMADA 05 CAMADA 01 CAMADA 02 CAMADA 03 CAMADA 04 CAMADA 05 CAMADA 01 CAMADA 02 CAMADA 03 CAMADA 04 CAMADA 05 Figura 3 Seção transversal dos quatro tratamentos Conforme ilustrado, um dos tratamentos utilizou de camadas feitas por lâminas inteiras. Nos outros três tratamentos pelo menos uma das camadas era feita com mais de uma lâmina para composição da largura, sendo que em todos os tratamentos as lâminas externas eram inteiras. Neste experimento a largura adotada foi de 12 cm, com angulação de 64º entre as barras das juntas. As lâminas foram anteriormente classificadas pela massa de modo a se garantir mesmas classes de densidade por tratamento. Novamente foram montadas em gabarito, conforme já ilustrado na Figura 2, tendo-se adotado o mesmo consumo de adesivo e procedimento de colagem. Objetivou-se testar os tratamentos quanto à resistência e rigidez. O procedimento de teste está ilustrado na Figura 4. Figura 4 Esquema de ensaio das juntas

6 Na Figura 4 pode-se perceber que as juntas ficaram dispostas na Máquina Universal de Ensaios tendo a face superior apenas em contato com a rótula do equipamento. Ainda, não houve controle rigoroso da velocidade do ensaio. Tratando-se de ensaio não normalizado optou-se por aplicação de carga crescente, após três ciclos de carga e descarga a até aproximadamente 5kN, e então proceder-se a aplicação até a carga máxima suportada pelas juntas. Cada ensaio demandou aproximadamente 15 minutos. Pode-se perceber, ainda, certa excentricidade da carga aplicada na ligação ensaiada. Isto é melhor compreendido na Figura 5. O princípio de dimensionamento deste tipo de junta foi proposto por COURI PETRAUSKI (1998) e PETRAUSKI (1999). Neste caso, o paralelogramo ABCD responderá pela absorção dos esforços de flexão, cortante e cisalhamento enquanto ligação por adesivo. No esquema de ensaio a aplicação da carga P fica excêntrica em relação ao centro do paralelogramo, gerando momento fletor na junta. Os esforços normais e cortante aparecem em função da angulação existente entre a carga e a direção das barras. Figura 5 Ilustração do comportamento das juntas Tais juntas são dimensionadas, enquanto análise dos planos de colagem, responsabilizando-se a área dos paralelogramos ABCD pela absorção dos esforços solicitantes. O modelo proposto pelos autores utiliza como parâmetros de dimensionamento a resistência ao cisalhamento de juntas coladas à 0º e, também, à 90º entre as fibras da madeira e, evidentemente, pressupõe a validade do modelo de Hankinson na predição da resistência ao cisalhamento para outros ângulos entre as fibras, o que já fora comprovado em outras pesquisas. Parte das áreas disponíveis nos paralelogramos será necessária para absorção das tensões de cisalhamento geradas pelo momento fletor e os autores propuseram no modelo que tais áreas são sempre circulares partindo do centro dos paralelogramos. As áreas restantes absorvem as tensões de cisalhamento dos esforços normal e cortante. Deste modo, conhecendo a geometria da ligação e a resistência ao cisalhamento das juntas coladas à 0º e 90º, pode-se, utilizando o modelo, calcular a expectativa de resistência deste tipo de ligação e inferir sobre sua carga de projeto. Neste caso, são incorporados ao modelo os coeficientes de modificação propostos pela NBR 7190 (1997) e os demais coeficientes que afetam as características da madeira.

7 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Desempenho das juntas feitas mistas A Tabela 01 ilustra as resistências apresentadas pelas juntas testadas no primeiro experimento. Foram quatro feitas exclusivamente com madeira de Pinus e outras quatro mistas de Pinus e Eucalyptus, este último aplicado nas camadas externas. Tabela 1 Resultados de resistência para as juntas Juntas de Pinus sp. Juntas mistas de Pinus sp. e Eucalyptus grandis Densidade (g/cm 3 ) Cargas últimas (kn) Densidade (g/cm 3 ) Cargas últimas (kn) 0,95 100,9 0,87 96,7 0,80 85,1 0,80 106,2 0,75 71,4 0,74 85,4 0,70 72,2 0,66 102,4 Médias 0,80 82,4 0,77 97,68 Desvios 0,11 13,84 0,09 9,07 Conforme se observa as juntas feitas mistas apresentaram resultados de resistência mais elevados e uma maior uniformidade, como ilustrado pelo desvio padrão. As relações médias entre as cargas últimas e a carga de projeto, idêntica para todas e igual a 9,5 kn, foram de 8,67 para as juntas de Pinus sp. e de 10,28 para aquelas mistas Desempenho das juntas feitas de Pinus segundo quatro composições diferentes nas camadas Resistência apresentada A Tabela 2 apresenta os resultados de resistência obtidos por tratamento. O tratamento 1 foi aquele onde nas cinco camadas utilizou-se apenas lâminas inteiras, sem emendas; O tratamento 2 apresentava apenas na 3ª camada duas lâminas justapostas; o tratamento 3 apresentava nas 2ª e 4ª camadas duas lâminas justapostas e, o tratamento 4 apresentava lâminas justapostas nas 2ª, 3ª e 4ª camadas, sendo que na 3ª foram utilizadas três lâminas, conforme o ilustrado na Figura 3. Os valores obtidos foram submetidos à análise de variância. O resumo da análise é apresentado na Tabela 3 a seguir. Como se observa, o teste de F não foi significativo ao nível de 5%. Desta forma, enquanto resistência apresentada, todos os tratamentos foram equivalentes estatisticamente. Tais resultados indicam que o comportamento mecânico destas juntas não fora afetado pelas emendas, propositadamente realizadas, existentes nos tratamentos 2, 3 e 4. Tal evidência parece indicar que a transmissão das tensões internas não é afetada pelo uso de lâminas justapostas nas camadas internas. Isto pode ser interessante na feitura de juntas de grande porte onde seja muito oneroso, ou mesmo inviável, a aplicação de lâminas de grande largura.

8 Tabela 2 Resultados de resistência Resistência por tratamento (kn) ,8 33,7 34,3 42,1 43,5 43,4 52,9 57,4 40,7 46,4 40,8 47,6 41,7 44,5 40,9 32,6 16, ,8 42,4 Médias por tratamento (kn) 36,10 41,4 41,54 44,42 Tabela 3 Resumo da análise de variância Fonte de Variação Graus de Liberdade Quadrados Médios F Tratamentos ,87 n.s. Resíduo Total 19 A Figura 6 ilustra um modo de ruptura típico apresentado. Note-se que ocorreram fraturas por tração paralela, nas camadas 2 e 4 e por tração normal na camada Aspectos de rigidez Figura 6 Modos de fratura típicos para as juntas testadas Durante os ensaios foram instalados relógios comparadores e extensômetros nas juntas. Os extensômetros foram sempre instalados em lâminas das camadas externas, na região tracionada, e o relógio comparador fora instalado para mensurar o deslocamento total das juntas sob carga.a Figura 7 ilustra o comportamento médio observado por tratamento enquanto deslocamentos observados nas juntas. Pode-se observar que, de modo geral, os tratamentos com emendas nas camadas apresentaram maiores deformações.

9 A Figura 8 apresenta as deformações específicas registradas pelos extensômetros instalados nas camadas externas das juntas. Como se observa, caso geral, as juntas com emendas apresentaram, novamente, maiores deformações. Tal fenômeno parece estar associado a hipótese de que, as camadas externas, todas sem emendas, acabaram nos tratamentos 2, 3 e 4, absorvendo os maiores níveis de tensão. 36,00 30,00 Carga aplicada (kn) 24,00 18,00 12,00 Trata 1 Trata 2 Trata 3 Trata 4 6,00 0,00 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 Deformação unitária Figura 7 Deformação unitária média por tratamento para o deslocamento total das juntas carga aplicada (kn) TRATA 1 TRATA 2 TRATA 3 TRATA ,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 deformação unitária Figura 8 Deformações unitárias médias registradas nas camadas externas

10 5. CONCLUSÕES Nas condições estabelecidas nesta pesquisa, pode-se concluir que: - a inclusão de lâminas de Eucalyptus grandis em trabalho solidário à lâminas de Pinus sp. em juntas estruturais multilaminares contribuiu para melhoria do desempenho mecânico bem como para a diminuição da variabilidade dos resultados experimentais; - há compatibilidade na colagem das duas espécies utilizadas; - a confecção de juntas estruturais multilaminares feitas com emendas nas camadas internas não afetou significativamente a resistência das mesmas; - enquanto rigidez global as juntas com emendas apresentaram níveis maiores de deformação; - a utilização de emendas em camadas internas pode promover acréscimos de tensões nas camadas externas feitas sem emendas. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Annual book of ASTM. Philadelphia: ASTM, 1994, 478p. (Adhesives). COSTA ARAÚJO, F. (2000). Avaliação do Desempenho de Juntas em Madeira Laminada Colada de Eucalyptus grandis. Cascavel, PR. Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Agrícola Universidade Estadual do Oeste do Paraná. COURI PETRAUSKI, S. M. (1999). Desenvolvimento e teste de pórticos treliçados feitos de madeira de E. grandis laminada e colada. Viçosa, MG. Dissertação de Mestrado Universidade Federal de Viçosa. GOTARDO, J. T. (2003). Juntas Estruturais de Alto Desempenho em Madeira Laminada Colada. Cascavel, PR. Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Civil Universidade Estadual do Oeste do Paraná. PETRAUSKI, A. (2000). Comportamento de Ligações Adesivas e Avaliação Experimental de Tesouras de Telhados Feitas de Laminado Colado em Madeira de Eucalyptus grandis. Viçosa, MG. Tese de Doutorado Universidade Federal de Viçosa.