ESTRUTURAS DE MADEIRA

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1 UNEMAT Universidade do Estado de Mato Grosso ESTRUTURAS DE MADEIRA Professora: Engª Civil Silvia Romfim

2 AULA INTRODUÇÃO: Madeira e suas características PROPRIEDADES MECÂNICAS: Propriedades elásticas a. Módulo de Elasticidade (E) b. Módulo de elasticidade transversal (G) c. Coeficiente de Poisson Propriedades de resistência a. Compressão b. Tração c. Cisalhamento d. Flexão simples e. Torção f. Resistência ao choque

3 AULA FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA a. Fatores anatômicos b. Defeitos por ataques biológicos c. Defeitos de secagem d. Defeitos de processamento da madeira 1.6 DIMENSÕES Dimensões Comerciais Dimensões Normativas

4 Propriedades Mecânicas PROPRIEDADES MECÂNICAS As propriedades mecânicas são as responsáveis pela resposta da madeira quando solicitada por forças externas. São divididas em propriedades de resistência e elasticidade. A norma brasileira para estruturas de madeira NBR 7190:1997 apresenta os métodos de ensaio para a determinação destas propriedades.

5 Propriedades Mecânicas PROPRIEDADES ELÁSTICAS Elasticidade é a capacidade do material de retornar à sua forma inicial, após retirada a ação externa que o solicitava, sem apresentar deformação residual. Apesar de não ser um material elástico ideal pois apresenta uma deformação residual após a solicitação, a madeira pode ser considerada como tal para a maioria das aplicações estruturais.

6 Propriedades Mecânicas As propriedades elásticas são descritas por três constantes: módulo de elasticidade longitudinal (E), módulo de elasticidade transversal (G) coeficiente de Poisson. Como a madeira é um material ortotrópico, as propriedades de elasticidade variam de acordo com a direção das fibras em relação à direção de aplicação da força.

7 Propriedades Mecânicas Módulo de Elasticidade (E) De acordo com a norma brasileira trabalha-se com três valores de módulo de elasticidade: Módulo de elasticidade longitudinal (E0), determinado através do ensaio de compressão paralela às fibras da madeira; Módulo de elasticidade normal (E90), que pode ser representado como uma fração do módulo de elasticidade longitudinal pela seguinte expressão: Módulo de elasticidade na flexão (EM), pode ser relacionado com o módulo de elasticidade longitudinal pelas expressões abaixo: EM = 0,85 E0 Para as coníferas (Fonte: NBR 7190:1997) EM = 0,90 E0 Para as dicotiledôneas (Fonte: NBR 7190:1997)

8 Propriedades Mecânicas Coeficiente de Poisson A norma brasileira, NBR 7190:1997, não traz em seu texto nenhuma especificação a respeito de valores do coeficiente de Poisson para a madeira.

9 Propriedades Mecânicas PROPRIEDADES DE RESISTÊNCIA Estas propriedades descrevem as resistências últimas de um material quando solicitado por uma força. As propriedades de resistência da madeira diferem segundo os três eixos principais, embora com valores muito próximos nas direções tangencial e radial. Por isso, as propriedades de resistência são analisadas segundo duas direções: paralela e normal às fibras.

10 Propriedades Mecânicas COMPRESSÃO Três são as solicitações às quais se pode submeter a madeira na compressão: normal, paralela ou inclinada em relação às fibras. Compressão paralela: tendência de encurtar as células da madeira ao longo do seu eixo longitudinal. Desta forma as células, em conjunto, conferem uma grande resistência à madeira na compressão. Compressão normal: comprime as células da madeira perpendicularmente ao eixo longitudinal. Os valores de resistência à compressão normal às fibras são da ordem de 1/4 dos valores apresentados pela madeira na compressão paralela.

11 Propriedades Mecânicas COMPRESSÃO Compressão inclinada: age tanto paralela como perpendicularmente às fibras.

12 Propriedades Mecânicas TRAÇÃO Duas solicitações diferentes de tração podem ocorrer em peças de madeira: tração paralela ou tração perpendicular às fibras da madeira. As propriedades da madeira referentes a estas solicitações diferem consideravelmente. Tração paralela: alongamento das células da madeira ao longo do eixo longitudinal. Tração normal: tende a separar as células da madeira perpendicular aos seus eixos, onde a resistência é baixa, devendo ser evitada.

13 Propriedades Mecânicas CISALHAMENTO Existem três tipos de cisalhamento que podem ocorrer em peças de madeira. Cisalhamento vertical: deforma as células da madeira perpendicularmente ao eixo longitudinal. Normalmente não é considerado pois, outras falhas ocorrerão antes. Como por exemplo, problemas na compressão normal. Cisalhamento horizontal: produz a tendência das células da madeira de separarem e escorregarem longitudinalmente. Cisalhamento perpendicular: Produz a tendência das células da madeira rolarem umas sobre as outras, transversalmente ao eixo longitudinal.

14 Propriedades Mecânicas FLEXÃO SIMPLES Quando a madeira é solicitada à flexão simples ocorrem quatro tipos de esforços: Compressão paralela às fibras, Tração paralela às fibras, Cisalhamento horizontal Compressão normal às fibras (nos apoios) Fonte: CALIL, 1998

15 Propriedades Mecânicas TORÇÃO As propriedades da madeira solicitadas por torção são muito pouco conhecidas. A norma brasileira recomenda evitar a torção de equilíbrio em peças de madeira, em virtude do risco de ruptura por tração normal às fibras decorrente do estado múltiplo de tensões atuante.

16 Propriedades Mecânicas RESISTÊNCIA AO CHOQUE A resistência ao choque é a capacidade do material absorver rapidamente energia pela deformação. A madeira é considerada um material de ótima resistência ao choque. A norma brasileira prevê o ensaio de flexão dinâmica para determiná-la.

17 Classes de Resistência Propriedades Mecânicas As classes de resistência das madeiras têm por objetivo o emprego de madeiras com propriedades padronizadas, orientando a escolha do material para elaboração de projetos estruturais. O enquadramento de peças de madeira nas classes de resistência estão especificadas nas tabelas 8 e 9 da NBR 7190:1997.

18 Resistência Propriedades Mecânicas

19 Os efeitos da duração do carregamento e da umidade do meio ambiente são considerados por meio dos coeficientes de modificação K mod. O K mod é formado pelo produto: Propriedades Mecânicas Coeficiente de Modificação K mod = K mod,1. K mod,2. K mod,3 K mod,1 Leva em conta a classe de carregamento e o tipo de material. empregado. K mod,2 Leva em conta a classe de umidade e o tipo de material empregado. K mod,3 Leva em conta se a madeira é de primeira ou de segunda categoria.

20 Propriedades Mecânicas K mod,1 Pagina 18 NBR 7190:1997

21 Propriedades Mecânicas K mod,2 Pagina 18 NBR 7190:1997

22 Pagina 14 NBR 7190:1997

23 Propriedades Mecânicas K mod,3 1ª CATEGORIA 2ª CATEGORIA 1,0 0,8 A condição de madeira de primeira categoria somente pode ser admitida se todas as peças estruturais forem classificadas como isentas de defeitos, por meio de método visual normalizado, e também submetidas a uma classificação mecânica que garanta a homogeneidade da rigidez das peças que compõem o lote de madeira a ser empregado. Não se permite classificar as madeiras como de primeira categoria apenas por meio de método visual de classificação. Pagina 17 NBR 7190:1997

24 Propriedades Mecânicas Caracterização da Resistência A NBR 7190/1997 estabelece três alternativas para se proceder à caracterização da resistência das espécies de madeira a serem empregadas na construção de estruturas. São elas: Caracterização Completa Caracterização Mínima Caracterização Simplificada Para espécies desconhecidas. Para espécies pouco conhecidas. Para espécies bem conhecidas. * Em todos os casos, para a caracterização da resistência da madeira leva-se em conta a umidade de 12%.

25 Resistência Caracterização Completa: Resistência à compressão paralela às fibras (f c,0 ) Resistência à tração paralela às fibras (f t,0 ) Resistência à compressão normal às fibras (f c,90 ) Resistência à tração normal às fibras (f t,90 ) Resistência ao cisalhamento paralelo às fibras (f v,0 ) Resistência ao embutimento paralelo às fibras (f e,0 ) Resistência ao embutimento normal às fibras (f e,90 ) Densidade básica (ρ bas ) Densidade aparente a 12% de umidade (ρ 12 ) Propriedades Mecânicas

26 Resistência Caracterização Mínima: Propriedades Mecânicas Resistência à compressão paralela às fibras (f c,0 ) Resistência à tração paralela às fibras (f t,0 ) Resistência ao cisalhamento paralelo às fibras (f v,0 ) Densidade básica (ρ bas ) Densidade aparente a 12% de umidade (ρ 12 )

27 Resistência Propriedades Mecânicas Caracterização Simplificada: Resistência à compressão paralela às fibras (f c,0 )

28 Propriedades Mecânicas FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA Pelo fato da madeira ser um material de origem biológica, está sujeita a variações na sua estrutura que podem acarretar mudanças nas suas propriedade. Estas mudanças são resultantes de três fatores principais: 1. Anatômicos, 2. Ambientais 3. De utilização.

29 Propriedades Mecânicas FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA 1. Fatores anatômicos : a. Densidade b. Inclinação das fibras c. Nós d. Falhas naturais da madeira e. Presença de medula f. Faixas de parênquima

30 Fatores Anatomicos Densidade Quanto maior a densidade, maior é a quantidade de madeira por volume e como conseqüência a resistência também aumenta. Inclinação das fibras A inclinação das fibras tem uma influência significativa sobre as propriedades da madeira a partir de certos valores. Esta inclinação descreve o desvio da orientação das fibras da madeira em relação a uma linha paralela à borda da peça. A norma brasileira permite desconsiderar a influência da inclinação das fibras para ângulos de até 6º.

31 Fatores Anatomicos Nós Os nós são originários dos galhos existentes nos troncos da madeira após o desbaste dos mesmos. Existem dois tipos de nós, os soltos e os firmes. Ambos reduzem a resistência da madeira pelo fato de interromperem a continuidade e direção das fibras. Também podem causar efeitos localizados de tensão concentrada. A influência de um nó depende do seu tamanho, localização, forma, firmeza e do tipo de tensão considerada. No geral os nós têm maior influência na tração do que na compressão.

32 Nós Fatores Anatomicos

33 Fatores Anatomicos Falha Natural da Madeira Dois tipos de falhas principais podem ocorrer devido à natureza da madeira. A primeira delas está relacionada com o encurvamento do tronco e dos galhos durante o crescimento da árvore, alterando o alinhamento das fibras e podendo influenciar na resistência. Outro fator a ser observado é a presença de alburno, que por suas próprias características físicas apresenta valores de resistência menores.

34 Falha Natural da Madeira Fatores Anatomicos

35 Presença de Alburno Fatores Anatomicos Quando a peça serrada contém alburno, provoca diminuição da resistência mecânica e facilita o ataque biológico. Podem também surgir rachaduras no cerne próximo à medula, decorrentes de fortes tensões internas devidas ao processamento.

36 Faixa de Parênquima Fatores Anatomicos As faixas de parênquima têm baixa densidade e pouca resistência mecânica. Quando presentes em elementos submetidos à compressão, estes podem entrar em ruína por separação dos anéis.

37 Ataques Biológicos FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA 2. Defeitos por ataques biológicos : a. Perfurações pequenas b. Perfurações grandes c. Podridão d. Mancha

38 Defeitos Biológicos Estes defeitos surgem dos ataques provenientes de fungos ou insetos. Os insetos causam as perfurações, que podem ser pequenas ou grandes, já os fungos causam manchas azuladas e podridões (clara ou parda), como ilustrado na figura 5 abaixo.

39 Defeitos Biológicos

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42 Defeitos de Secagem FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA 3. Defeitos de secagem : a. Encanoamento b. Encurvamento c. Arqueamento d. Torcimento

43 Defeitos de Secagem São originados pela deficiência dos sistemas de secagem e armazenamento das peças. Podem ser: encanoamento, arqueamento, encurvamento, torcimento e rachadura, como mostra a figura 6 abaixo.

44 Defeitos de Processamento FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA 4. Defeitos de processamento da madeira : a. Arestas quebradas b. Variação da seção transversal

45 Defeitos de Processamento São defeitos originados na manipulação, transporte, armazenamento e desdobro da madeira. Destacam-se aqui dois defeitos principais: as arestas quebradas e a variação da seção transversal, como mostra a figura 7.

46 Dimensões * Dimensões Comerciais Apresenta-se na tabela abaixo a nomenclatura, seguida das seções comerciais das madeiras encontradas comercialmente no Brasil.

47 10.2 Dimensões mínimas Dimensões mínimas das seções transversais Nas peças principais isoladas, como vigas e barras longitudinais de treliças, a área mínima das seções transversais será de 50 cm² e a espessura mínima de 5 cm. Nas peças secundárias esses limites reduzem-se respectivamente a 18 cm² e 2,5 cm. Nas peças principais múltiplas, a área mínima da seção transversal de cada elemento componente será de 35 cm² e a espessura mínima de 2,5 cm. Nas peças secundárias múltiplas, esses limites reduzem-se respectivamente a 18 cm² e 1,8 cm.

48 BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ENSAIOS FÍSICOS E MECÂNICOS DE MADEIRAS. ABNT. Rio de Janeiro NBR PROJETO DE ESTRUTURAS DE MADEIRAS. ABNT. Rio de Janeiro CALIL, Carlito Junior. ESTRUTURAS DE MADEIRA USP São Paulo CALIL Jr., C.; LAHR, F.A.R.; DIAS, A.A. - DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE MADEIRA. Ed. Manole, Barueri, SP, MAINIERI, C.; CHIMELO, J.P. - FICHAS DE CARACTERÍSTICAS DAS MADEIRAS BRASILEIRAS. IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas, Divisão de Madeiras, São Paulo, MOLITERNO, A. - CADERNO DE PROJETO DE TELHADOS EM ESTRUTURAS DE MADEIRA. Ed. Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1981.

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50 Atividade 01 01) Determinar o valor de cálculo da resistência da madeira à compressão paralela às fibras da espécie Cupiúba (Goupla Glabra). São dados: Valor médio da resistência à compressão paralela às fibras da espécie, determinado em laboratório inidôneo, igual a Mpa; Carregamento de longa duração; Peças estruturais de madeira serrada não classificada; Classe de umidade 4. Resposta: O valor característico da RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO PARALELA ÀS FIBRAS é dada pela expressão: f c0,d = K mod,1. K mod,2. K mod,3. f c0,k γ w Pagina 17 NBR 7190:1997

51 Resposta: Assim temos: Atividade 01 Compressão paralela às fibras: γ wc = 1,4 (pg. 18 NBR 7190:1997) Carregamento de longa duração e madeira serrada: K mod,1 = 0,70 (tabela Anexo) Classe de umidade 4 e madeira serrada: K mod,2 = 0,80 (tabela Anexo) Peças estruturais não foram classificadas: K mod,3 = 0, 80 (tabela Anexo) O valor da resistência característica à compressão paralela foi determinado em laboratório idôneo. Assim: f c0,m Valor da resistência à compressão paralela às fibras (médio) f c0,k = 0, 7. f co,m fc0,k = 0, 7. 54,4 f c0,k 38 MPa Tabela E.1 NBR 7190:1997

52 Atividade 01

53 Atividade 01 Com esses valores, chega-se a: f c0,d = 0, 70. 0, 80. 0, , 4 f c0,d 12 MPa