MADEIRAS PARA CONSTRUÇÃO. PCC 3221 Materiais de Construção Civil I

Transcrição

1 MADEIRAS PARA CONSTRUÇÃO PCC 3221 Materiais de Construção Civil I

2 Objetivos Permitir aos alunos: Compreender as propriedades relevantes da madeira para uso na construção e como a sua microestrutura influencia no seu comportamento. Suas aplicações, considerando os diferentes processos de produção, impactos ambientais, e aspectos de durabilidade.

3 Material fibroso (tubos longos e vazados) Madeira: compósito polimérico natural

4 Fibras: constituição Composta por macromoléculas de celulose, unidades com lignina (e hemicelulose) DOI: /rsif ; ILLSTON (2010)

5 Porosidade: depende da espécie Sessão transversal de madeira Bétula (acima) e Carvalho (abaixo) DOI: /rsif

6 Espécies Coníferas Crescimento mais rápido (geralmente), mais mole, mais porosa. Típica de clima temperado Ex: pinus, pinheiro do Paraná Folhosas Crescimento mais lento (geralmente), mais dura, menos porosa. Típica de clima (sub)tropical Ex: mogno, cerejeira, ipê, Pau Brasil, eucalipto (cresce rápido...não é uma regra) O que são madeiras de reflorestamento? Madeiras plantadas industrialmente, porque possuem crescimento mais rápido.

7 Coníferas softwood facilita corte, mais porosa Folhosas hardwood mais densa, mais resistente, mais durável 7

8 Madeira: defeitos Nós galhos do tronco Mudam orientação das fibras Afetam Resistência mecânica Durabilidade Estética MATERIAL HETEROGÊNEO

9 Madeira: anistropia 1(L) 3(T) 2(R) Fibras tem orientação longitudinal, de acordo com o crescimento Corte define planos, com fibras orientadas, ou não, no eixo perpendicular (aplicação da carga). Resistência-deformação depende dos eixos Eixo radial Direção perpendicular à fibra Eixo tangencial 2 (R) 1 (L) 3 (T)

10 Exercício 1: identifique os eixos, com base nos possíveis cortes Wood Handbook (2010)

11 Madeira: higroscópica Wood handbook (2010) Classificação da NBR 7190/1996 Classes de umidade UR ambiente (UR amb ) UR equilíbrio na madeira (UR eq ) 1 < 65 % 12 % 2 65 % a 75% 15 % 3 75 % a 85% 18 % 4 > 85% > 25 % btsweet.blogspot.com A madeira, quando seca, perde água por evaporação. Retração por secagem pode ser um problema.

12 Madeira: inchamento-retração Dimensões V sat V u volumétrica tangencial radial axial V seca u PS = ponto de saturação das fibras ~30% U (%)

13 Secagem: pode afetar a qualidade da madeira Wood Handbook (2010)

14 Resistência x umidade da madeira Ponto de saturação das fibras Illston (2010)

15 Madeira: estruturas de cobertura

16 Resistência (avaliação): componentes NBR 7190 (Anexo B) Resistência à tração (normal e paralela à fibra) Resistência à compressão (normal e paralela à fibra) Resistência à flexão (bending test) normal paralela

17 Como rompe a madeira? Ruptura e propagação da fratura entre fibras Escorregamento (na hemicelulose), instabilidade (por flambagem)

18 Propriedades mecânicas da madeira: depende da espécie Nome comum Nome científico ap(12 ) (Kg/m 3 ) f c0 (MPa) f t0 (MPa) f t90 (MPa) f v (MPa) E c0 (MPa) n Pinho do Paraná Araucaria angustifolia ,9 93,1 1,6 8, Pinus caribea Pinus caribea var. caribea ,4 64,8 3,2 7, Pinus bahamensis Pinus hondurensis Pinus caribea var.bahamensis Pinus caribea var.hondurensis ,6 52,7 2,4 6, ,3 50,3 2,6 7, Pinus elliottii Pinus elliottii var. elliottii ,4 66,0 2,5 7, Pinus oocarpa Pinus oocarpa shiede ,6 60,9 2,5 8, Pinus taeda Pinus taeda L ,4 82,8 2,8 7, ap(12 ) = massa específica aparente a 12 de umidade f c0 = resistência à compressão paralela às fibras f t0 = resistência à tração paralela às fibras f t90 = resistência à tração normal às fibras fv = resistência ao cisalhamento E c0 = módulo de elasticidade longitudinal obtido no ensaio de compressão paralela às fibras NBR 7190

19 Propriedades mecânicas da madeira: depende da espécie Nome comum Nome científico ap (12%) f c0 f t0 f t90 f v E c0 kg/m 3 MPa MPa MPa MPa MPa Jatobá Hymenaea spp ,3 157,5 3,2 15, Angelim Araroba Votaireopsis araroba ,5 69,2 3,1 7, Angelim Ferro Hymenolobium spp ,5 117,8 3,7 11, Cedro amargo Cedrella odorata ,0 58,1 3,0 6, Cedro Doce Cedrella spp ,5 71,4 3,0 5, E. Citriodora Eucalyptus citriodora ,0 123,6 3,9 10, E. Grandis Eucalyptus grandis ,3 70,2 2,6 7, ap(12 ) = massa específica aparente a 12 de umidade f c0 = resistência à compressão paralela às fibras f t0 = resistência à tração paralela às fibras f t90 = resistência à tração normal às fibras fv = resistência ao cisalhamento E c0 = módulo de elasticidade longitudinal obtido no ensaio de compressão paralela às fibras NBR 7190

20 Resistência x densidade da madeira ILLSTON (2010)

21 Resistência 90:direção dos anéis de crescimento Wood Handbook (2010)

22 Propriedades mecânicas: valor característico (estatístico) da madeira Método probabilístico distribuição normal (n> 30) NBR 7190

23 Propriedades mecânicas: valor característico (estatístico) da madeira Estimador (6 < n < 12) em ordem crescente NBR 7190

24 Exercício 2: estimando a resistência característica da madeira Seis corpos-de-prova de pinus foram ensaiados a resistência à compressão. Calcule a resistência característica à compressão usando o estimador não paramétrico. Amostra Resistência à compressão (MPa)

25 Exercício 2: estimando a resistência característica da madeira Seis corpos-de-prova de pinus foram ensaiados a resistência à compressão. Calcule a resistência característica à compressão usando o estimador não paramétrico. amostra fc (MPa) f ck = 1,1x{[2x(30+32) 2]-35} = 29,7 MPa

26 Madeira: projeto estrutural deve considerar a fluência Deformação (flechas limites) L /350 (vão) L/175 (balanços) Vão (distância entre os apoios)

27 Fluência da madeira: depende do nível de carregamento ILLSTON (2010)

28 Fluência da madeira: depende do tipo de tratamento

29 Fluência da madeira: depende do tipo de tratamento

30 Madeira após incêndio: mitos e verdades Madeira pega fogo, pois é constituída de carbono. Porém, contém água em sua composição. O calor específico da água é elevado; ou seja, requer muita energia para mudar de estado (evaporar). Ou seja, a madeira demora para ser consumida pelo fogo e perder suas propriedades mecânicas!

31 Madeira após incêndio: peças espessas não causam situações críticas de segurança Peças espessas não são o problema: detecção e dimensionamento Peças de baixa espessura?

32 Como se obtém a madeira convencional? Quais impactos ambientais são gerados?

33 Recurso natural renovável: fixa CO 2 Madeira (celulose): é obtida a partir das cadeias de glicose, obtidas pela reação da fotossíntese. 6H 2 O + 6CO 2 + Energia (Luz) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 bens renováveis (disponíveis na natureza)

34 Florestas Naturais: são estoques naturais de carbono

35 Extração predatória (não manejada): baixo aproveitamento de madeira Áreas de estoque estradas serrarias

36 Madeira ilegal e desmatamento: consequências Produtos : resíduos 1 : 8 8,6t 69,4t 222t

37 69,4 t de Resíduos florestais serão decompostos Queima ou biodeterioração aeróbica 1kg de madeira = 0,48 kg de Carbono C + O 2 CO kg 1kg de C ~3,7 kg de CO 2 Enterrado (condição anaeróbica) Gera metano (CH 4 ) É usualmente desprezada

38 Exercício 3: emissão tco 2 /t de madeira amazônica serrada? 8,6 t madeira, 69,4 t de resíduos 1t madeira = 0,48t C 69,4 t x 0, 48 t C / t madeira = 33 t C CO 2 = 3,7 x 33 t = 122 t 122 t CO 2 / 8,6 t madeira = 14 t CO 2 /t madeira Nenhum produto industrial tem tamanho impacto de mudança climática na construção!!!!!

39 Madeira Amazonica não manejada legal ou ilegal 9,5 16,5 t CO 2 /t Desmatamento principal causa do GEE no Brasil

40 Qual a pegada de CO 2 da madeira plantada? A plantação de eucaliptos e pinus cresce capturando o CO 2. Na decomposição do resíduo e da madeira este CO 2 é liberado para atmosfera. O balanço é neutro.

41 Como degrada? Como considerar aspectos de durabilidade no projeto?

42 Fungos Manchadores Peças úmidas, ciclos molhagem-secagem Efeito estético Sem prejuízo as propriedades mecânicas Madeira Pinus (bolor) Apodrecedores Peças úmidas, ciclos molhagem-secagem Prejuízo as propriedades mecânicas (destrói fibras) Madeira piquiarana (Caryocar sp)

43 Cupins Alimenta-se da celulose (destrói a estrutura da madeira)

44 Conceitos básicos de biodeterioração Nutrientes (celulose, sujeira) Água ATIVIDADE BIOLÓGICA Temperatura Tempo Como evitar (projetar p/ durar mais)? - Ambiente seco - Temperaturas baixas

45 Detalhes de projeto: o que deve ser evitado Falta de beirais e recuos adequados

46 Detalhes de projeto: o que deve ser evitado Manchas de cimento sobre madeira crua. Falta de verniz (exposição a luz envelhecimento)

47 Detalhes de projeto: boas práticas Projetista: Stefano Capretti

48 Categorias dos climas e recomendações: cap.34 (livro ibracon); NBR 7190 (anexo D) Classes de risco Condições 1 Protegida (UR < 65%), s/ contato com solo ou alvenaria 2 Protegida (UR < 65%), contato com alvenaria 3 Exposta a umidade (não frequente), s/ contato com solo 4 Exposta a umidade (frequente), s/ contato com solo 5 Contato com água doce e solo Agentes Cupins (alguns locais) Cupins (incluindo subterrâneo) Cupins (todos os tipos), fungos (manchadores, apodrecedores) Agressividade do meio 6 Água do mar Teredos, fungos (todos os tipos)

49 Recomendações Evitar contato com a alvenaria, o solo, e locais úmidos Em locais úmidos (não frequentes), proteger a madeira com sistema de pintura (verniz, stain) Contém fungicidas Em contato frequente com água doce e solo ou água do mar, madeira precisa ser tratada com fungicidas e inseticidas. Mais comuns (CCA cromo/arsênio) São substâncias solúveis e tóxicas. Contaminam o ambiente!!! Há outras soluções??????

50 É possível engenheirar a madeira? Que aspectos podemos melhorar?

51 Engineered Woods: man-made! Há diversas razões para industrializar a madeira Reduzir a heterogeneidade Reduzir a anisotropia Melhorar as propriedades mecânicas Reduzir as variações dimensionais (deformabilidade) Aumentar a resistência Aumentar o aproveitamento da tora Nem toda a seção da tora é apta ao uso estrutural Melhorar a durabilidade Secar melhor, reduzir vazios (por prensagem e aquecimento), torná-la não-molhável ou menos susceptível ao ataque biológico (ácido acético).

52 Quais são os tipos de madeiras engenheiradas?

53 Madeira aglomerada (particle board): menores variações dimensionais, é sensível a umidade Fragmentos de madeira (mm) Cola (a base de formaldeído) + + Aglomerado

54 Oriented Strand Board (OSB): resistência/rigidez, menores variações dimensionais Tiras de madeira orientadas, secas e prensadas com 5% de resinas (fenol-formaldeído, uréia-formaldeído)

55 Madeira compensada (plywood): resistência/rigidez, menores variações dimensionais Lâminas finas coladas com resinas (a base de formaldeído), com fibras orientadas perpendicularmente. Podem ser prensadas a quente. + + Lâmina 1 Lâmina 2 Lâmina 3 Compensados Diversas espessuras (4-25mm) e camadas (3, 5, 7, 9, 13)

56 Madeira Laminada (laminated venner lumber): peças estruturais em grandes vãos PU Uso de pressão e temperatura

57 Medium (or high) density fiberboard (MDF/HDF) Fibras (< 0.1 mm) prensadas com resinas (~10%) Tratamento termomecânico aumenta compacidade, aumenta densidade, reduz vazios

58 Usos diversos na construção: painéis, fôrmas, móveis, pisos Móveis decorados são constituídos de madeira aglomerada ou MDF, cobertos com revestimento melamínico

59 Usos como painéis (casas pré-fabricadas) Densidade OSB 700 kg/m³; Rigidez (1,9-4,8 GPa). Resistência à flexão (15-28 MPa)

60 Compensados de madeira (fôrmas): uso externo requer revestimento melamínico

61 Piso (madeira laminada) Resina melanina (desgaste a abrasão) HDF Barreira acústica, c/ umidade

62 Laminated (or cross-laminated timber): casas, edifícios, fundações pré-fabricadas

63

64 Laminated Venner Lumber (LVL)

65 Há diversos tipos de madeira. Como gerenciar esse resíduos?

66 Madeira: produto com ciclo de vida curto

67 Resíduos de madeira: como gerenciar?

68 Resíduos de madeira: triar para (melhor) reciclar Engineered woods Contém colas, resinas, tintas (pode conter formaldeído). VOCs (polui ambiente interno) Podem ser reciclados (biomassa-energia). Processos de queima (> 800ºC) Madeira serrada Não há substâncias perigosas. Podem ser reciclados como madeira, biomassa-energia. Qualquer processo industrial de queima (sem restrição) Madeira tratada (CCA, etc) São resíduos perigosos. Não podem ser incinerados. Destinação possível (aterro industrial classe I). Lixiação contamina solo e água (Ar). Manual ABIPA. Gerenciamento de resíduos de madeira industrializada na construção civil.

69 Leitura Obrigatória Ilston; Domone. Caps 52, 53, 54 e 55. Disponíveis no moodle. Wood Handbook. Cap 11. Disponível no moodle. ABIPA. Gerenciamento de resíduos de madeira industrializada na construção civil. Disponível no moodle.

70 Leitura Complementar Forest Products Laboratory (USA). Wood handbook Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Projeto de Estruturas de Madeira NBR 7190/96 Anexos. IPT. Catálogo de Madeiras Brasileiras para a Construção Civil IBAMA. Fichas de madeira