Inter-relação entre as propriedades e a microestrutura das madeiras

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1 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 1 Departamento de Engenharia de Construção Civil Escola Politécnica da Universidade de São Paulo PCC 5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil Prof. Dr. Antônio Domingues de Figueiredo Inter-relação entre as propriedades e a microestrutura das madeiras Carlos Amado Britez Valdenei Nogueira São Paulo

2 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 2 Sumário 1 RESUMO 03 2 INTRODUÇÃO Objetivo Justificativa 03 3 MICROESTRUTURA DA MADEIRA Classificação das madeiras Composição química Características da microestrutura 07 4 PROPRIEDADES DA MADEIRA Propriedades físicas Anisotropia Umidade Retração Propriedades mecânicas Compressão paralela e normal às fibras Tração paralela às fibras Cisalhamento paralelo às fibras Variação das propriedades Influência dos defeitos Influência da umidade Influência do tempo de duração de carga Fluência da madeira Fadiga da madeira (ação de cargas cíclicas) Efeitos de curta duração (impacto) 17 5 PRINCIPAIS PRODUTOS 17 6 SISTEMAS ESTRUTURAIS Cimbramentos Montanha russa do parque temático Hopi Hari em Vinhedo - SP Vigamentos 21 7 IMPACTO AMBIENTAL 22 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS 24 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24

3 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil RESUMO A madeira possui uma microestrutura bastante complexa, em face de sua constituição orgânica, procedência natural e composição química, a qual pode ser variável de acordo com a localização geográfica, clima, tipo de solo e espécie. A madeira é um material poroso, constituído por diferentes estruturas cujo elemento básico é a célula. Existem vários tipos de células, as quais têm funções diversas no vegetal, tais como, condução da seiva, suporte, armazenamento de substâncias nutritivas, etc. Cada uma dessas funções confere uma forma diferente ás células. Algumas são mais alongadas, outras em forma de cubo. Umas possuem paredes mais espessas, outras paredes mais finas. Devido a isso, algumas madeiras apresentam características diferentes como permeabilidade, textura, propriedades físicas e mecânicas. Conhecendo-se microestrutura do material é possível o uso de diferentes espécies para as mais diversas aplicações no campo da construção civil em geral. 2. INTRODUÇÃO 2.1 Objetivo O objetivo deste trabalho é analisar as principais características da estrutura anatômica da madeira e suas relações com as propriedades físicas e mecânicas do material. 2.2 Justificativa A madeira é um dos materiais mais antigos da civilização, dada sua disponibilidade na natureza e sua relativa facilidade de manuseio. Além disso, ZENID (2005) observa que a madeira possui diversas propriedades que a torna muito atraente frente a outros materiais. Dentre essas, são comumente citados, o baixo consumo de energia para seu processamento, a alta resistência mecânica específica, as boas características de isolamento térmico e elétrico, além de ser um material fácil de ser trabalhado manualmente ou pro máquinas. PFEIL (2003), destaca que comparada a outros materiais de construção convencionais utilizados atualmente, a madeira apresenta uma excelente relação resistência/peso, conforme mostrado na Tabela 1.

4 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 4 Tabela 1: Propriedades de alguns materiais de construção (adaptado de PFEIL, 2003). Material r(t/m³) f(mpa) f/r Madeira a tração 0,5-1, Madeira a compressão 0,5-1, Aço a tração 7, Concreto a compressão 2, Sendo r = massa específica; f = resistência característica ZENID (2005), ainda comenta que pelo fato da madeira ser resultado do crescimento de um ser vivo, implica em variações das suas características em função do meio ambiente em que a árvore se desenvolve. A esta variabilidade acrescenta-se que a madeira é produzida por diferentes espécies de árvores, cada qual com características anatômicas, físicas e químicas próprias. À medida que os avanços tecnológicos ocorrem, mais diversos e sofisticados são os usos encontrados para a madeira. Mesmo com a atual disponibilidade de numerosos materiais sintéticos, tem sido difícil manter um alto padrão de conforto sem a presença da madeira. Outros tipos de materiais, tais como metais, plásticos, cimento, etc., apresentam problemas da disponibilidade de matéria prima, alta necessidade de insumos energéticos para sua obtenção, além de problemas de contaminação ambiental criados no processo produtivo. Por outro lado, a madeira está sujeita à degradação biológica por ataques de fungos, brocas etc. e também a ação do fogo. Além disso, por ser um material natural apresenta inúmeros defeitos, como nós e fendas que interferem em suas propriedades mecânicas (PFEIL, 2003). Conforme também observado por ZENID (2005), todas as vantagens mencionadas podem ser perdidas, se a madeira for aplicadas em levar em conta o conhecimento de suas diversas propriedades e adequação das mesmas ao uso final desejado. Finalmente, nunca deve ser esquecido que a madeira é a única matéria prima renovável, que pode servir a várias finalidades industriais, e é inconcebível que tal material seja cultivado ou utilizado sem a devida consideração aos conhecimentos científicos relativos à sua natureza. Portanto torna-se importante esta abordagem sobre o conhecimento da microestrutura da madeira, uma vez que esse material possui vantagens tanto em suas propriedades, se aplicado corretamente, quanto no conceito de sustentabilidade, se utilizado conscientemente pelo ser humano. Além disso, o material torna-se atrativo por consumir menos energia para sua obtenção e processamento, conseqüentemente, degradando menos o meio ambiente.

5 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil MICROESTRUTURA DA MADEIRA 3.1 Classificação das madeiras As madeiras utilizadas em construção civil são obtidas de troncos de árvores. Segundo PFEIL (2003), distinguem-se duas categorias principais de madeiras: Madeiras duras provenientes de árvores frondosas (dicotiledôneas, da classe Angiosperma, com folhas achatadas e largas), de crescimento lento, como peroba, ipê, aroeira, carvalho etc; Madeiras macias provenientes em geral das árvores coníferas (da classe Gimnosperma, com folhas em forma de agulhas ou escamas, e sementes agrupadas em forma de cones), de crescimento rápido, como pinheiro-do-paraná e pinheirobravo, ou pinheirinho, pinheiros europeus, norte-americanos etc. 3.2 Composição química A composição química da madeira não pode ser precisamente definida para uma espécie de madeira ou mesmo para uma madeira em particular. Ela varia de acordo com uma série de fatores, podendo muitas vezes de pender da procedência (localização geográfica), clima, tipo de solo, etc. De qualquer forma, pode-se afirmar que existem três componentes principais na madeira: Lignina (18% a 35%), Hemicelulose e Celulose (65% a 75%). Esses materiais são considerados poliméricos complexos. Como um todo, os elementos (estrutura molecular) que compõem a madeira são aproximadamente distribuídos da seguinte forma: 50% carbono 44% oxigênio 6,0% hidrogênio traços de muitos íons metálicos

6 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 6 A seguir explicam-se, segundo MONTANA QUÍMICA S.A., (1991), as características químicas dos três componentes principais da madeira (celulose, hemicelulose e lignina): A celulose é um polímero constituído por cadeias de unidades monoméricas glicosídicas, encontrado na natureza em diversos materiais como algodão, bambu, madeira, etc. De alta resistência à tração, a celulose fornece uma estrutura à madeira. Tem alto grau de polimerização, forma fibras e possui regiões cristalinas e amorfas. É o componente de maior importância nas paredes das células da madeira, tanto em termos de volume como seu efeito nas características da madeira, respondendo por cerca de 40% a 50% em relação ao peso de madeira seca. É possível estimar que a celulose constitui 1/3 do material total produzido por todas as plantas coletivamente, o que torna a mais importante matéria prima de origem vegetal disponível ao homem; As hemiceluloses são polissacarídeos associados com a celulose e a lignina em tecidos vegetais. Enquanto a celulose é formada pela repetição da mesma unidade monomérica, nas hemicelulose aparecem condensadas diversas dessas unidades. Apresentam baixo grau de polimerização, não formam fibras e só possuem regiões amorfas. O conteúdo de hemicelulose num vegetal arbóreo corresponde a cerca de 25% a 35%, considerando o peso de madeira seca; A lignina é um composto aromático de alto peso molecular. É um polímero tridimensional que apresenta composições diferentes para coníferas e frondosas sendo encontrada em maior quantidade em coníferas do que em frondosas. A lignina incrusta o espaço intercelular e toda e qualquer abertura e cavidade das paredes das células, após a deposição da celulose e das hemiceluloses. Atua como material cimentante que liga os elementos estruturais das madeiras (fibras, traqueídeos, vasos, etc.) e auxilia na redução de mudanças dimensionais quando as paredes das células absorvem água. A lignina é bastante insolúvel, apresentando menor higroscopidade (habilidade em absorver água) que a celulose. A mais importante propriedade física deste material é a rigidez e dureza que confere às paredes celulares onde está localizada, ou seja, é a lignina que dá rigidez e dureza ao conjunto de cadeia de celulose, conferindo coesão à madeira. Muitas propriedades físicas e mecânicas da madeira dependem da presença da lignina.

7 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 7 Portanto, a madeira é uma rede cristalina formada de camadas de fibrilas e microfibrilas de celulose entremeadas por uma matriz amorfa, a lignina, tendo como ponte entre essas duas a hemicelulose. As paredes das células longitudinais da madeira (fibras) podem ser descritas, ainda, como um material compósito: os filamentos compostos de celulose constituem o reforço das fibras, e a matriz de polímeros (hemiceluloses e lignina) tem a função de manter unidos os filamentos e prover rigidez à compressão das fibras. 3.3 Características da microestrutura As células da madeira, denominadas fibras, são como tubos de paredes finas, alinhados na direção axial do tronco e colados entre si. As fibras longitudinais possuem diâmetro variando entre 10 e 80 micra e comprimento de 1 a 8 mm. A espessura das paredes da célula varia de 2 a 7 micra. Nas madeiras macias (coníferas) cerca de 90% do volume é composto de fibras longitudinais, que são o elemento portante da árvore. Além disso, elas têm a função de conduzir a seiva por tensão superficial e capilaridade através dos canais formados pelas cadeias de células. As fibras das árvores coníferas têm extremidades permeáveis e perfurações laterais que permitem a passagem de líquidos. Algumas coníferas apresentam ainda canais longitudinais, ovalizados, onde são armazenadas resinas. Nas árvores frondosas, as células longitudinais são fechadas nas extremidades; a seiva, então, circula em outras células de grande diâmetro, com extremidades abertas, justapostas, denominadas vasos ou canais. As fibras têm apenas função de elemento portante. Na Figura 1, observam-se, como exemplo, a diferença das seções transversais de madeira conífera e de madeira frondosa. Figura 1: Seções transversais ampliadas típicas de madeira (a) de conífera; (b) de árvore frondosa (PFEIL, 2003).

8 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 8 As fibras longitudinais distribuem-se em anéis, correspondentes aos ciclos anuais de crescimento. Além das fibras longitudinais, as árvores têm em sua composição o parênquima, tecido pouco resistente, formado por grupos de células espalhadas na massa lenhosa e cuja função consiste em armazenar e distribuir matérias alimentícias. Nas árvores coníferas as células do parênquima são orientadas transversalmente do centro do tronco (medula) para a periferia formando as fibras radiais, denominadas raios medulares. Nas árvores frondosas o parênquima se distribui transversal e longitudinalmente. A estrutura celular da madeira constitui a base da identificação micrográfica das espécies. Preparam-se lâminas com espessuras da ordem de 30 micra, contendo seções transversal, longitudinal tangencial e longitudinal radial. A distribuição celular nessas lâminas, observada com auxílio de microscópio, permite uma perfeita identificação da espécie vegetal. Muito útil na identificação é a distribuição do parênquima, que constitui uma verdadeira impressão digital da madeira. Na Figura 2 é possível observar o diagrama de uma Angiosperma (árvores frondosas) nos três planos, onde a parênquima aparece em duas direções distintas. Figura 2: Diagrama de uma Angiosperma nos três planos de observação (CHIMELO, 2005). 4. PROPRIEDADES DA MADEIRA As propriedades das madeiras podem ser divididas em dois grandes grupos: as propriedades físicas e as propriedades mecânicas, sendo que ambos estão ligados à estrutura e crescimento das árvores.

9 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil Propriedades físicas As árvores produtoras de madeira são do tipo exogênico, que crescem pela adição de camadas externas, sob a casca (PFEIL, 2003). A seção transversal de um tronco de árvore revela camadas, de fora para dentro, conforme demonstrado na Figura 3. Figura 3: Seção transversal de um tronco (PFEIL, 2003). Além disso MONTANA QUÍMICA S.A., (1991), destaca que um vegetal que produz lenho secundário, isto é tecido de sustentação e condução de seiva do tronco e raízes, pode ser considerado uma planta lenhosa quando atinge pelo menos uma altura de 6,0 metros e tenha geralmente um único caule ou um tronco. Na Figura 4 é observada a seção transversal em uma visão isométrica para melhor compreensão das camadas que compõem um caule. Figura 4: Esquema de um caule em seção transversal (isométrico) (CHIMELO, 2005).

10 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 10 A seção transversal de um tronco possui as seguintes camadas: A casca é a proteção externa da árvore, formada por uma camada externa morta, de espessura variável com a idade e as espécies, e uma fina camada interna, de tecido vivo e macio, que conduz o alimento preparado nas folhas para as partes em crescimento. O alburno ou branco é a camada formada por células vivas que conduzem a seiva das raízes para as folhas; tem espessura variável conforme a espécie, geralmente de 3 a 5 cm. Com o crescimento, as células vivas do alburno tornam-se inativas e constituem o cerne ou durâmen, de coloração mais escura, passando a ter apenas função de sustentar o tronco. A medula é um tecido macio, em torno do qual se verifica o primeiro crescimento da madeira, nos ramos novos. Na Figura 5 é possível observar a distinção dessas camadas principais, através da coloração. Figura 5: Corte de um tronco, mostrando o cerne (no centro), alburno (parte mais clara) e a medula (ponto escuro no centro) (WIKIPÉDIA FOUNDATION, 2006).

11 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 11 As madeiras de construção devem ser tiradas de preferência do cerne, parte mais durável. A madeira do alburno é mais higroscópica que a do cerne, sendo mais sensível do que esta última à decomposição por fungos. Por outro lado, a madeira do alburno aceita melhor a penetração de agentes protetores, como alcatrão e certos sais minerais. Os troncos das árvores crescem pela adição de anéis em volta da medula; os anéis são gerados por divisão de células em uma camada microscópica situada sob a casca, denominada câmbio, ou líber, que também produz células da casca. De acordo com a disposição e o arranjo dessas camadas de crescimento do tronco/caule, as propriedades físicas principais da madeira, que é o material oriundo desse sistema orgânico, são a: anisotropia, umidade, retração e dilatação linear Anisotropia Devido à orientação das células/fibras, a madeira é um material anisotrópico, ou seja, não possui as mesmas características nas três direções principais de aplicação do esforço. Podem-se definir três direções principais: longitudinal, tangencial e radial, conforme observado na Figura 6. Figura 6: Anisotropia da madeira. São indicadas as direções: longitudinal (L), radial (R) e tangencial (T) (PFEIL, 2003). A anisotropia relativa às propriedades mecânicas está relacionada ao ângulo de aplicação do esforço e a orientação das fibras.

12 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil Umidade A umidade da madeira tem grande importância sobre as suas propriedade. O grau de umidade é o peso de água contido na madeira expresso como uma porcentagem do peso da madeira seca em estufa. A quantidade de água das madeiras verdes ou recém cortadas varia muito com as espécies e com a estação do ano. A faixa de variação da umidade das madeiras verdes tem como limites aproximados 30% para as madeiras mais resistentes e 130% para as madeiras mais macias. A umidade está presente na madeira de duas formas: Água no interior da cavidade das células ocas (fibras) e Água absorvida nas paredes das fibras Em face do efeito da umidade nas outras propriedades da madeira, é comum referirem-se estas propriedades a um grau de umidade-padrão. No Brasil e nos Estados Unidos, adotam-se 12% como umidade-padrão de referência Retração As madeiras sofrem retração ou inchamento com a variação da umidade entre 0% e o ponto de saturação das fibras (30%), sendo a variação dimensional aproximadamente linear. O fenômeno, conforme Figura 7, é mais importante na direção tangencial; para redução da umidade de 30% até 0%, a retração tangencial varia de 5% a 10% da dimensão verde, conforme espécies. A retração na direção radial é cerca da metade da direção tangencial. Na direção longitudinal, a retração é menos pronunciada, valendo apenas 0,1% a 0,3% da dimensão verde, para secagem de 30% a 0%. Figura 7: Vista isométrica da madeira, mostrando a retração ou inchamento nas três direções principais (PFEIL, 2003).

13 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil Propriedades mecânicas Existem diversas propriedades mecânicas que podem ser analisadas nas madeiras, de acordo com sua eventual aplicação em um sistema estrutural. Neste texto citar-se-ão quatro casos, os quais são os ensaios mais comuns realizados neste tipo de material: compressão paralela às fibras, compressão normal às fibras, tração paralela às fibras e cisalhamento paralelo às fibras. O módulo de elasticidade será comentado dentro desses quatro grupos e mais adiante no item da análise de fluência do material Compressão paralela e normal às fibras Observa-se a existência de um trecho linear, no qual o comportamento do material é elástico, até a tensão limite de proporcionalidade. A partir daí verifica-se um comportamento não-linear, o qual está associado à flambagem das fibras da madeira. Sob compressão axial as células que compõem as fibras atuam como tubos de paredes finas, paralelos e colados entre si, conforme representado na Figura 8 (b); o colapso envolve a fratura do material ligante e flambagem das células. O módulo de elasticidade é dado pela inclinação da curva no trecho linear é calculado com os valores de tensão e deformação correspondentes a 10% e 50% da carga de ruptura estimada para o ensaio. Figura 8: Ensaio de compressão paralela às fibras: (a) esquema do ensaio; (b) diagrama tensão x deformação; (c) mecanismo de ruptura associado à flambagem das fibras (PFEIL, 2003).

14 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 14 Na compressão normal, as fibras, que são constituídas por células ocas, quando comprimidas transversalmente são achatadas precocemente, apresentando grandes deformações. Este comportamento está representado no diagrama tensão x deformação pelo patamar quase horizontal. O módulo de elasticidade em compressão normal às fibras é determinado com procedimento semelhante ao do ensaio de compressão paralela às fibras Tração paralela às fibras O comportamento à tração paralela às fibras é caracterizado pelo regime linear até tensões bem próximas à de ruptura e por pequenas deformações. Na Figura 9 está ilustrado, em linha cheia, o diagrama tensão x deformação para tração e, em linha tracejada o de compressão paralela às fibras. Observa-se a menor resistência à compressão, acompanhada de maiores deformações do que em tração (ruptura dúctil em compressão e frágil em tração). Figura 9: Ensaio de tração paralela às fibras: (a) corpo-de-prova; (b) diagrama tensão x deformação (tração em linha cheia); (c) mecanismo de ruptura (PFEIL, 2003) Cisalhamento paralelo às fibras O mecanismo de ruptura no cisalhamento paralelo às fibras envolve deslizamento entre fibras adjacentes à seção do corte. No entanto, a resistência ao cisalhamento das madeiras na direção normal às fibras é muito maior que na direção, de modo que, nos projetos, considera-se apenas esta última.

15 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 15 A tensão cisalhante é crítica em conexões e próxima aos locais de reações e pontos de carga concentrada, logo é uma propriedade bastante importante. A tensão cisalhante paralela às fibras possui um valor relativamente baixo, e é sensível a concentração de esforços, acarretando cuidados especiais no dimensionamento para os locais que possuem entalhes. 4.3 Variação das propriedades mecânicas Influência dos defeitos Os defeitos de textura têm enorme influência na resistência das peças estruturais, em geral reduzindo-a em relação aos corpos-de-prova isentos de defeitos. Os nós têm efeito predominante na redução de resistência à tração, reduzindo também em menor escala as resistências à compressão e ao cisalhamento. Defeitos decorrentes de secagem e decomposição também reduzem a resistência. A presença de nós produz concentração de tensões e reduz a resistência da madeira, sobretudo pelos desvios locais de direção das fibras Influência da umidade A umidade também tem grande efeito sobre as propriedades das madeiras. Com o aumento da umidade, a resistência diminui até ser atingido o ponto de saturação das fibras (30% de umidade); acima desse ponto, a resistência mantém-se constante. Na Figura 10, vê-se um diagrama de variação da resistência à compressão com a umidade. Figura 10: Variação da resistência da madeira com o grau de umidade (PFEIL, 2003).

16 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil Influência do tempo de duração da carga A resistência das madeiras é determinada em ensaios, nos quais o carregamento atua durante cerca de cinco minutos. Aplicando-se uma carga inferior a esta resistência durante um período longo, observa-se que a madeira pode romper, após alguns dias ou meses (ruptura retardada). Por outro lado, se uma peça é rompida sob impacto, sua tensão resistente será maior do que a obtida no ensaio de curta duração (5 min). A perda de resistência com o tempo de duração da carga pode ser encarada com um fenômeno de acumulação de danos, tal como na fadiga dos materiais sob cargas cíclicas, só que para ação de cargas permanentes. É notável a influência da umidade da madeira neste fenômeno: para uma mesma deformação, uma peça com maior grau de umidade terá sua vida útil reduzida em relação á outra peça de menor grau de umidade Fluência da madeira A madeira é um material viscoelástico, ou seja, sua deformação sob esforços depende do histórico do carregamento. Uma peça de material viscoelástico apresenta, além da deformação elástica, um acréscimo de deformação com o tempo, mesmo com a carga sendo mantida constante. Ao ser retirada a carga, somente uma parte da deformação é recuperada, mantendo-se um resíduo de deformação variável com o tempo. A madeira sofre, portanto, deformação lenta (fluência), sob a ação de cargas de atuação demorada, conforme observado na Figura 11. Figura 11: Fluência da madeira. Acréscimo de uma deformação com o tempo de atuação da carga: (1) curva correspondente a uma carga que produz ruptura retardada; a deformação cresce uniformemente, apresentando acentuado incremento próximo à ruptura; (2) curva correspondente a uma carga inferior à da curva 1; a deformação elástica imediata é acrescida de uma deformação de fluência que se estabiliza (PFEIL, 2003).

17 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil Fadiga da madeira (ação de cargas cíclicas) A resistência à fadiga de materiais fibrosos, como a madeira, é em geral superior á dos materiais cristalinos, como os metais. Ensaios de fadiga, à tração simples, realizados em madeiras duras e macias, revelaram-se que, para ciclos de carregamento com tensão mínima = 10% da tensão máxima, a tensão máxima da ruptura, após 30 milhões de ciclos, é da ordem de 50% de resistência medida em ensaios estáticos Efeitos de curta duração (impacto) A resistência da madeira sob ação de cargas de duração muito curta (impacto) é maior do que a obtida em ensaios rápidos. Sob a ação de cargas de impacto, a madeira apresenta também um módulo de elasticidade mais elevado, cerca de 10% superior ao valor calculado em ensaio estático. 5. PRINCIPAIS PRODUTOS Os produtos derivados da madeira podem ser classificados em duas grandes categorias: madeiras maciças e madeiras industrializadas. No grupo de madeiras maciças têm-se: madeira bruta ou roliça, madeira falquejada e madeira serrada. Como madeiras industrializadas têm-se: madeira compensada, madeira laminada e colada e madeira recomposta. A seguir caracteriza-se, segundo PFEL (2003), os principais produtos destes dois grupos: A madeira bruta ou roliça é empregada em forma de tronco, servindo para estacas, escoramentos, postes, colunas, etc; A madeira falquejada tem faces laterais aparadas a machado, formando seções maciças, quadradas ou retangulares; é utilizada em estacas, cortina cravada, pontes etc; A madeira serrada é aquela que é trabalhada nas serrarias; A madeira compensada é formada pela colagem de lâminas finas, com as direções das fibras alternadamente ortogonais; A madeira laminada e colada é o produto estrutural de madeira mais importante nos países da Europa e América do Norte. A madeira selecionada é cortada em lâminas, de 15 mm a 50 mm de espessura, que são coladas sob pressão, formando grandes vigas, em geral de seção retangular.

18 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 18 A madeira recomposta é o produto de resíduos de madeira serrada e compensada convertidos em flocos e partículas colados sob pressão em forma de placas. Estas placas não são consideradas materiais estruturais devido à baixa resistência e durabilidade, sendo muito utilizadas em fabricação de móveis. As características mecânicas destas placas dependem das dimensões das partículas e do adesivo usado; A madeira reconstituída são os compensados, os aglomerados e as chapas de fibras, não possuindo obrigatoriamente as características iniciais encontradas no material natural. O produto da madeira mais comum, e o mais utilizado na construção civil é a madeira serrada. Ela é produzida de árvores que são abatidas de preferência ao atingir idades maduras, que é percebida quando o cerne ocupa a maior parte do tronco, e é quando a mesma tem melhor qualidade. Cada espécie tem um tempo para atingir esta maturidade, podendo chegar até cem anos. A madeira serrada sofre, em geral, um pré-tratamento, durante o período de secagem natural, que tem como objetivo proteger a madeira recém serrada contra fungos e insetos xilófagos. O prétratamento pode ser dispensado quando a secagem da madeira é feita em estufas, mas de qualquer forma, não deve ser considerado pelo consumidor como tratamento definitivo que visa garantir sua proteção quando seca e em uso (TELLES; BALABAN, 2005). A madeira serrada é produzida em serrarias, onde as toras, normalmente em forma cilíndrica, são processadas em equipamentos tipo: serra circular, desdobradeira, desengrossadeira e plainadeira. A sua produção esta diretamente relacionada com o número e as características dos equipamentos utilizados e o rendimento baseado no aproveitamento da tora (volume serrado em relação ao volume da tora), sendo este em função do diâmetro da tora (maiores diâmetros resultam em maiores rendimentos) (IPT, 2003). Há também a madeira beneficiada que é obtida pela usinagem das peças serradas, que após o beneficiamento agrega valor às mesmas. Para esta operação são utilizados equipamentos com cabeças rotatórias providas de facas, fresas ou serras que usinam a madeira dando-lhe a espessura, largura e comprimento definitivos, forma e acabamento superficial. Podem-se incluir as seguintes operações: aplainamento, molduramento e torneamento e ainda desengrosso, desempeno, destopamento, recorte furação, respingado, ranhurado, entre outras. (IPT, 2003).

19 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 19 Existem, em nosso país, outros produtos originados da madeira como: madeiras em lâminas, painéis, compensado, chapas de fibra chapa dura, e chapa de fibra MDF (chapa de densidade média), chapas de partículas aglomeradas, chapas de partículas OSB (painéis de partículas orientadas), vigas laminadas e coladas preservadas contra ataque de insetos e fungos, além de protegidas contra o fogo e umidade. Em outros paises, especialmente do Hemisfério Norte, existem outros produtos oriundos da madeira, como: a madeira serrada e classificada eletronicamente, geralmente coníferas, ensaiadas não destrutivamente, em maquinas de alta velocidade, quanto à flexão estática e identificada quanto à sua classe de resistência mecânica; madeira laminada e colada, na qual as tábuas são dispostas e coladas com as suas fibras na mesma direção, ampliando o comprimento ou a espessura (IPT, 2003). A inovação tecnológica mais interessante, no campo de produtos de madeira, criada no ano de 2006 foi a madeira líquida. A partir da lignina cientistas alemães do Instituto Fraunhofer criaram um novo tipo de composto. Com a mistura da lignina com fibras de sisal, cânhamo ou linho e a adição de um aditivo químico - não revelado, devido a segredos industriais - geraram um granulado que pode ser extrudado em equipamentos tradicionalmente utilizados na indústria, que eles batizaram de madeira líquida. A madeira líquida permite que se construa virtualmente qualquer objeto, conforme Figura 12, a partir de técnicas comuns de moldagem por injeção, a mesma utilizada para a fabricação de produtos plásticos. Já patenteado, o novo material recebeu o nome de Arboform. Embora possa ser utilizada para fabricar qualquer tipo de produto, o que mais tem feito sucesso é um suporte para bolas de golfe: como o material é totalmente biodegradável, não é necessário se preocupar em recolher os pequenos pinos, que se decompõem juntamente com os restos de grama (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2006). Figura 12: Presépio confeccionado com madeira líquida (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2006).

20 PCC5726 Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil SISTEMAS ESTRUTURAIS Entende-se que a madeira faz parte de um sistema estrutural quando o material é aplicado para resistir esforços (cargas), sejam elas de tração, compressão ou cisalhamento. Existem diversos sistemas estruturais onde a madeira pode ser aplicada, como pontes, telhados, cimbramentos silos, etc. Nesse texto serão enfatizados três exemplos de aplicações: cimbramentos, montanharussa do parque de temático Hopi Hari em Vinhedo São Paulo e vigamentos. 6.1 Cimbramentos As características de elevada resistência e reduzido peso específico da madeira, aliadas a facilidade de montagem e desmontagem de peças, tornaram este material vantajoso para uso em estruturas de cimbramentos. O cimbramento, ou fôrma, é definido como a estrutura que serve para sustentar o concreto fresco até que este atinja resistência suficiente para suportar os esforços a que está submetido e mantê-lo na geometria concebida em projeto, definindo sistema de fôrma como o conjunto das fôrmas utilizadas para moldar a estrutura de concreto armado da edificação (ZORZI, 2002). As fôrmas para concreto armado eram inicialmente confeccionadas com tábuas de madeira serrada, evoluindo mais tarde para o uso de chapas de madeira compensada. O sistema tradicional de fôrmas para painéis de viga e laje e seus escoramentos estão ilustrado na Figura 13. Figura 13: Sistema tradicional de fôrmas de madeira para vigas e lajes em concreto (PFEIL, 2003).