Madeiras cont. numerosos ensaios sobre amostras representativas de madeira da espécie lenhosa em questão. numerosos ensaios.

Transcrição

1 PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DAS MADEIRAS Que madeira para determinado uso? com Economia e segurança Necessário conhecer os valores médios que definem o seu comportamento físico e resistência às solicitações mecânicas cont. numerosos ensaios sobre amostras representativas de madeira da espécie lenhosa em questão numerosos ensaios Tem de ser considerados os factores naturais ( natureza do material) os factores tecnológicos (técnica de execução) factores naturais 1. a espécie botânica da madeira 2. a massa volúmica do material 3. a localização da peça no lenho 4. a presença de 5. a humidade índice da distribuição ou concentração de material existente e resistente no tecido lenhoso Resultados s se o provete é extraído do cerne, do borne, próximo das raízes ou próximo da copa (nós, fendas, fibras torcidas, etc.), dependendo de sua distribuição, dimensões e, principalmente, de sua localização, provoca consideráveis anomalias no comportamento físico-mecânico da peça factores naturais 5. a humidade a madeira fibras de paredes celulósicas hidrófilas, pelo que o grau de humidade determina profundas alterações nas propriedades do material. Assim: resistência mecânica MÁXIMA quando completamente seca resistência mecânica MÍNIMA quando completamente saturada completamente saturada e valores intermédios para diferentes teores de humidade entre esses dois extremos. numerosos ensaios Tem de ser considerados os factores naturais ( natureza do material) os factores tecnológicos (técnica de execução) factores tecnológicos (técnica de execução dos ensaios) forma e dimensões dos provetes orientação das forças aplicadas em relação aos anéis de crescimento e velocidade de aplicação das cargas Madeira estrutura fibrosa orientada Determinada distribuição de tensões internas anisotropia normalização (+ importante) Ensaios de caracterização mecânica e física: EN 384:1995- Structural Timber - Determination of characteristic values of mechanical properties and density. ENV :1998 Eurocódigo 5 Projecto de estruturas de madeira Parte 1.1: Regras gerais e regras para edfícios EN 408:1995- Timber structures - Structural Timber and glued laminated timber Determination of some physical and mechanical properties. 1

2 Classificação em classes de Qualidade ou de Resistência: EN 338: Structural Timber-Strength classes. EN 5: Structural Timber - Grading-Requirements for visual strength grading standard. EN 519: Structural Timber Grading-Requirements for machine stength graded timber and grading machines. NP EN 1912 (03) - Madeira para estruturas. Classes de Actualiz resistência. Atribuição de classes de qualidade e espécies. ar no texto de apoio NP 45:1995 Madeira serrada de pinheiro bravo para estruturas. Classificação visual. (Esta norma foi elaborada de acordo com a EN 5). As características mecânicas do pinho bravo são apresentadas na Ficha LNEC M2. Dimensões: EN 1313: 1996 Round and sawn timber Permitted deviations and prefered sizes Part 1: softwood sawn timber. Durabilidade natural: EN 350-2: 1994 Durability of wood and wood-based products Natural durability of solid wood Part 2: Guide to natural durability and treatability of selected wood species of importance in Europe. Classes de risco: NP EN 335-1: Durabilidade da madeira e de produtos derivados. Definição das classes de risco de ataque biológico - Parte 1: Generalidades. NP EN 335-2: Durabilidade da madeira e de produtos derivados. Definição das classes de risco de ataque biológico - Parte 2: Aplicação à madeira maciça. Tratamento preservador: (Se necessário utilizar um tratamento preservador para aumentar a durabilidade natural é preciso conhecer a sua impregnabilidade,, isto é, a facilidade de impregnação da madeira por produtos líquidos preservadores:) EN 350-2: 1994 Durability of wood and wood-based products Natural durability of solid wood Part 2: Guide to natural durability and treatability of selected wood species of importance in Europe. Já referida Produtos preservadores: EN 599-1: Durability of wood and wood-based products. Performance of preservative wood preservatives as determined by biological tests - Part 1: Specifications according to hazard class. EN 599-2: Durability of wood and wood-based products. Performance of preservative wood preservatives as determined by biological tests - Part 2: Classification and labeling. NP 80: Preservação de madeiras. Tratamento de madeiras para construção. Processos de tratamento: EN 351-1: 1: Durability of wood and wood-based products Preservative treated solid wood - Part 1: Classification of preservative penetration and retention. NP 80: 1995 (já referida). Anexo A da EN (já referida). L.N.E.C. Fichas madeira para construção M1 Especificação de para estruturas. Lisboa, M2 Pinho bravo para estruturas. Lisboa, M3 Câmbala. Lisboa, M4 Casquinha Lisboa, M5 Criptoméria. Lisboa, M6 Eucalipto comum. Lisboa, M7 Tola branca. Lisboa, M8 Undianuno. Lisboa, M9 Humidade na madeira, Lisboa, M Revestimentos por pintura de madeira para exteriores. Lisboa, PROPRIEDADES FÍSICAS Humidade Retracção Massa volúmica Dilatação térmica Condutibilidade eléctrica Condutibilidade térmica Inflamabilidade 2

3 Humidade constituição embebição água livre em combinação química com os principais constituintes do material lenhoso. Não é eliminada na secagem. madeira anidra só contém água de constituição (seca em estufa). impregnada nas paredes células lenhosas Humidade embebição 1% embebição embebição impregnada nas paredes células lenhosas Ex: alteração notável de volume da peça de madeira alteração do comportamento físico-mecânico 4 a 5% na σ compressão 2 a 4% na σ flexão Humidade paredes das células estão completamente saturadas de embebição, mas a água ainda não extravasou para os vazios celulares (sem água livre) a madeira atingiu o ponto de saturação das fibras (PSF) Humidade Depois de embeber completamente as paredes das células, a água começa a encher os vazios capilares: é a água livre Nem a presença nem a retirada dessa água livre causam qq alteração dimensional Para a maioria das espécies 25% < PSF < % Humidade>PSF Humidade Abate H 52% para as folhosas H 57% para as resinosas secagem H > PSF H < PSF Em alguns casos H 0% em madeiras muito leves H 0% ou mais, em madeiras imersas apenas redução do peso da madeira sem alterações das dimensões paredes perdem água, contraem-se (< espessura) retracção secagem semanas a muitos meses, dependendo da espécie, da espessura das peças, do teor de água pretendido e do processo de secagem seguido Secagem natural - ao ar livre artificial - em estufa ao ar pode descer até a % Para H baixos, ex. 8 a 12%, só em estufa "comercialmente seca" H %

4 CLASSIFICAÇÃO em função de H: Madeira verde: acima do PSF, + % em geral (25 < PSF < %) Madeira comercialmente seca: H % Madeira seca ao ar: % H < % Madeira dessecada: 0% < H < % (em geral, só por secagem artificial). Madeira anidra: com 0% de humidade. H % H % Abaixo de % a madeira pode considerar-se ao abrigo do ataque 16 dos agentes de destruição, sendo este teor o mínimo necessário 12 como ambiente favorável à proliferação de fungos e bactérias 8 Determinação da humidade H: NP6 - "MADEIRA. Determinação do teor em água humidade: Cociente, em %, da massa da água que se evapora do provete por secagem em estufa, a 3ºC±2ºC até massa constante, pela massa do provete depois de seco. Sendo: m 1 - a massa do provete húmido, g m 2 - a massa do provete seco, g o teor em água, em %, é: m1 m 2 H = 0 verificações laboratoriais ou sempre que se exigir m 2 uma avaliação rigorosa Determinação da humidade H: Na prática métodos expeditos que permitem uma leitura instantânea verificações laboratoriais ou sempre que se exigir uma avaliação rigorosa humidímetros de agulhas ou de contacto Retracção Chama-se retracção a propriedade da madeira de alterar as dimensões quando o seu teor de água se modifica. diz-se que a madeira joga: inchando ao absorver humidade contraindo-se se ao perdê-la. retracção é segundo as três direcções principais, um dos mais axial ou longitudinal, graves tangencial e da radial madeira Devido à ANISOTROPIA da madeira Nos ensaios consideram-se três direcções ou eixos principais a) direcção tangencial, direcção transversal, tangencial aos anéis de crescimento b) direcção radial, direcção transversal, radial em relação aos anéis de crescimento c) direcção axial, no sentido das fibras, longitudinal em relação ao caule Longitudinal Radial Tangencial direcção das Fibras 4

5 Retracção Variação das dimensões VERSUS humidade PSF volumétrica axial+radial+ tangencial Tangencial 2 radial 0 retracção volumétrica total (%) volume quando quando uma madeira passa do estado de saturação das fibras (PSF %) ao estado anidro (H=0%) volume no estado anidro Coeficiente unitário de retracção volumétrica é a retracção volumétrica total por variação de 1% do teor de humidade Coeficiente unitário de retracção numa dada direcção variação de dimensão da peça de madeira nessa direcção, que ocorre por cada 1% de variação do teor de água no intervalo entre 0% e o PSF. As deformações nas peças são mais ou menos Tangencial 2 radial importantes conforme o modo de se fazer o corte Efeitos da retracção em peças de madeira Para atenuar os inconvenientes da retracção 1. aplicar madeiras de retracção reduzida 2. o corte das peças deve ser radial 3. nas grandes superfícies, convém realizar uma armação cujo interior é preenchido com contraplacados ou por painéis com a maior dimensão paralela às fibras Para atenuar os inconvenientes da retracção 4. deve impermeabilizar-se as superfícies com vernizes e pinturas 5. a madeira deve ser empregue com o grau de humidade correspondente ao meio onde vai ser utilizada; H madeira deve ser H de equilíbrio no local Gama de variação esperada para o teor de equilíbrio da madeira consoante o local de aplicação (LNEC, M1). Massa volúmica a H% de teor em água massa do provete a H% do teor em água Volume do provete a H% do teor em água Em geral provetes de forma cúbica de mm de aresta, da madeira sã e isenta de nós (NP 616, 1973). cm Massa volúmica a 12% de teor em água cm pesagem medição das arestas 0 kg/m 3 < < kg/m 3 Massa volúmica a H% de teor em água mv para % mv para 12% 12% % É possível estimar a massa volúmica para outro teor de água, a partir do ábaco de Kollmann 5

6 Dilatação térmica A madeira, como a maior parte dos corpos sólidos, pode dilatar-se sob os efeitos do calor mas dimensões d.t. <<< dimensões retracção Para temperatura = 0º humidade = 0%, os coeficientes de dilatação são: α = 0,05-4 na direcção axial ou longitudinal α = 0,50-4 nas direcções radial ou tangencial α = 1-4 coeficiente de dilatação volumétrico Condutibilidade eléctrica depende sobretudo de H A resistividade diminui com o aumento da humidade H Resistividade transversal: valores médios Teor em água % Resistividade MΩ cm ,5 Para dado H, a resistividade depende da espécie da direcção e da da massa volúmica resistividade transversal é de 2 a 4 resistividade axial resistividade transversal e um pouco superior à resistividade radial Condutibilidade térmica EXCELENTE isolante térmico Inflamabilidade coeficiente de transmissão k=0,97 coeficiente de transmissão k=0, cm 4cm 22cm grau de isolamento térmico que este material proporciona justifica que nos países frios as casas sejam de madeira ou revestidas a madeira Arde espontaneamente a cerca de 275º, desde que haja O 2 suficiente para se realizar a combustão A combustão inicial só superficial Forma-se uma camada meia calcinada que, se a temperatura se mantiver nos 275º, quando atinge 1 cm de espessura protege o resto da madeira Desde que o elemento tenha mais de 2,5 cm de espessura conservará uma certa solidez. Inflamabilidade velocidade de combustão da madeira é de 1 cm por ¼ hora: um barrote poderá resistir ± 1 hora Se a temperatura aumenta, a madeira continua a arder e pode mesmo alimentar o incêndio; no entanto, consome-se lentamente, e conserva durante um certo tempo as suas características mecânicas, mesmo a 00º-10º Se há receio de incêndio enquanto o aço começa a perder a sua resistência Peças com e < 2,5 cm e a deformar-se a partir de 0º- 0ºC (excepto se tratamento antifogo) Apresentam uma grande variabilidade devido a à estrutura não homogénea, da presença de, do grau de humidade e das condições de ensaio. 2 modos de avaliar a resistência mecânica da madeira O primeiro, usado até cerca de 1975, consiste em avaliar a resistência mecânica a partir de provetes pequenos ( x mm de secção transversal) e sem classificar previamente a madeira medindo a resistência em peças de dimensão estrutural (com ) 6

7 Compressão longitudinal ( x mm de secção transversal) e sem x x 60 mm + usadas em Portugal Valores médios de propriedades físicas e mecânicas em provetes pequenos e sem Valores médios (para H=12%) provetes pequenos e sem Pinho bravo Milícia régia Milícia excelsa Redwood Scotspine Criptoméria R F R R F F F Propriedades Físicas Massa volúmica (Kg/m 3 ) Coeficientes de tangencial retracção unitária radial (%/%) volúmica Propriedades Mecânicas Flexão T. rotura (MPa) estática M. Elasticidade (GPa) Tracção longitudinal: T. rotura (MPa) Tracção transversal: T. rotura (MPa) Compressão longitudinal: T. rotura (MPa) Corte: T. rotura (MPa) Fendimento: F. unitária rotura (Kgf / cm) Dureza (KN) Eucalipto comum Tola branca LNEC M1 a M9,1997 Undianuno Flexão estática ( x mm de secção transversal) e sem + usadas em Portugal Valores médios de propriedades físicas e mecânicas em provetes pequenos e sem Valores médios (para H=12%) provetes pequenos e sem Pinho bravo Milícia régia Milícia excelsa Redwood Scotspine Criptoméria Eucalipto comum Tola branca LNEC M1 a M9,1997 Undianuno x x 340 mm R F R R F F F Propriedades Físicas Massa volúmica (Kg/m 3 ) Coeficientes de tangencial retracção unitária radial (%/%) volúmica Propriedades Mecânicas Flexão T. rotura (MPa) estática M. Elasticidade (GPa) Tracção longitudinal: T. rotura (MPa) Tracção transversal: T. rotura (MPa) Compressão longitudinal: T. rotura (MPa) Corte: T. rotura (MPa) Fendimento: F. unitária rotura (Kgf / cm) Dureza (KN) Tracção ( x mm de secção transversal) e sem + usadas em Portugal Valores médios de propriedades físicas e mecânicas em provetes pequenos e sem Valores médios (para H=12%) provetes pequenos e sem Pinho bravo Milícia régia Milícia excelsa Redwood Scotspine Criptoméria Eucalipto comum Tola branca LNEC M1 a M9,1997 Undianuno x x 70 mm R F R R F F F Propriedades Físicas Massa volúmica (Kg/m 3 ) Coeficientes de tangencial retracção unitária radial (%/%) volúmica Propriedades Mecânicas Flexão T. rotura (MPa) estática M. Elasticidade (GPa) Tracção longitudinal: T. rotura (MPa) Tracção transversal: T. rotura (MPa) Compressão longitudinal: T. rotura (MPa) Corte: T. rotura (MPa) Fendimento: F. unitária rotura (Kgf / cm) Dureza (KN)

8 ( x mm de secção transversal) e sem Fendimento solicitação à tracção apenas num bordo da superfície; rasgamento) x x 45 mm + usadas em Portugal Valores médios de propriedades físicas e mecânicas em provetes pequenos e sem Valores médios (para H=12%) provetes pequenos e sem Pinho bravo Milícia régia Milícia excelsa Redwood Scotspine Criptoméria R F R R F F F Propriedades Físicas Massa volúmica (Kg/m 3 ) Coeficientes de tangencial retracção unitária radial (%/%) volúmica Propriedades Mecânicas Flexão T. rotura (MPa) estática M. Elasticidade (GPa) Tracção longitudinal: T. rotura (MPa) Tracção transversal: T. rotura (MPa) Compressão longitudinal: T. rotura (MPa) Corte: T. rotura (MPa) Fendimento: F. unitária rotura (Kgf / cm) Dureza (KN) Eucalipto comum Tola branca LNEC M1 a M9,1997 Undianuno Corte ( x mm de secção transversal) e sem + usadas em Portugal Valores médios de propriedades físicas e mecânicas em provetes pequenos e sem Valores médios (para H=12%) provetes pequenos e sem Pinho bravo Milícia régia Milícia excelsa Redwood Scotspine Criptoméria Eucalipto comum Tola branca LNEC M1 a M9,1997 Undianuno 50 x 50 x 64 mm R F R R F F F Propriedades Físicas Massa volúmica (Kg/m 3 ) Coeficientes de tangencial retracção unitária radial (%/%) volúmica Propriedades Mecânicas Flexão T. rotura (MPa) estática M. Elasticidade (GPa) Tracção longitudinal: T. rotura (MPa) Tracção transversal: T. rotura (MPa) Compressão longitudinal: T. rotura (MPa) Corte: T. rotura (MPa) Fendimento: F. unitária rotura (Kgf / cm) Dureza (KN) ( x mm de secção transversal) e sem ( x mm de secção transversal) e sem DIAGRAMA TENSÕES/EXTENSÕES Diagrama σ/ε tracção // é praticamente rectilíneo σ tracção// = 2 σ compressão// σ tracção 0 evitar que fique sujeita a estes esforços na construção σ compressão// >> σ compressão MPa tracção axial (// fibras) ( 2 vezes comp. axial) compressão axial (// fibras) compressão transversal ( fibras) tracção transversal ( fibras) 0 Extensão / 00 madeira absolutamente perfeita absolutamente perfeita, sendo possível, nestas condições, fazer comparações entre diferentes espécies Na prática os valores têm que ser reduzidos com factores de correcção devido aos como os nós, descaio, fendas, empeno e outras imperfeições. 8

9 Apresentam uma pequenos peças de dimensão grande variabilidade devido a e sem estrutural com à estrutura não homogénea, da presença de, Coeficientes de segurança do grau de humidade e CLASSES das condições de ensaio. Compressão axial VERSUS quantidade de MPa 2 modos de avaliar a resistência mecânica da madeira O primeiro, usado até cerca de 1975, consiste em avaliar a resistência mecânica a partir de provetes pequenos ( x mm de secção transversal) e sem classificar previamente a madeira medindo a resistência em peças de dimensão estrutural (com ) medindo σ em peças estruturais com classificar previamente a madeira medindo a resistência em peças de dimensão estrutural (com ) medindo σ em peças estruturais com classificar previamente a madeira medindo a resistência em peças de dimensão estrutural (com ) A abordagem alternativa mais recente(> 1975) Elimina-se a necessidade de factores de correcção devido a nós e outros A desvantagem deste método é que os ensaios exigem maior quantidade de madeira equipamento de ensaio muito mais sofisticado classificação de madeiras para estruturas Classificação avaliação a olho nu dos da madeira em visual provetes de dimensão estrutural EN 5: 1995 Determina-se σ em peças, a partir da medição da flecha num ensaio de flexão EN 519, 1995 Classificação mecânica lotes de material com comportamento mecânico + previsível medindo σ em peças Que madeira usar? Que resistência especificar? 1. Se a espécie está defenida pressupondo-se o conhecimento das respectivas propriedades mecânicas 2. Se a espécie não está defenida Especificar CLASSE de QUALIDADE Especificar Classe de RESISTÊNCIA medindo σ em peças Que madeira usar? Que resistência especificar? 1. Se a espécie está defenida pressupondo-se o conhecimento das respectivas propriedades mecânicas Classe de Qualidade -madeira de uma dada espécie ou grupo de espécies Especificar CLASSE de QUALIDADE EN 5 (classificação visual) ou EN 519 (classificação mecânica) com comportamento mecânico equivalente classificação em classes segundo regras de: limitação de (ex. nós ou o fio inclinado) avaliação de uma p. mecânica (ex. m. elasticidade). 9

10 CLASSE de QUALIDADE NP 45 Ex: Pinheiro bravo produzida em Portugal Classe EE (Especial para Estruturas) Classe E (Estruturas) características mecânicas na Ficha LNEC M2: "Pinho bravo para estruturas". NP EN 1912 (03) - Madeira para estruturas. Classes de resistência. Atribuição de classes de qualidade e espécies. CLASSE de QUALIDADE Classe de Qualidade / Classe de Resistência para algumas madeiras s utilizadas em estruturas (LNEC M1,1997) Madeira Pinho bravo (Pinus pinaster Ait.) Casquinha (Pinus silvestris L.) Espruce (Picea abies Karst.) Câmbala (Milicia excelsa A. Chev. Ou M. regia A. Chev.) Classe de Qualidade (norma) E (NP 45) SS (BS 4978) GS (BS 4978) S13 (DIN 4074) S (DIN 4074) S7 (DIN 4074) HS (BS 5756) Classe de Resistência C* C C16 C C C16 D40 * Para a classe E do Pinho bravo, recomenda-se a adopção dos valores indicados na Ficha LNEC M2: "Pinho bravo para estruturas". medindo σ em peças Que madeira usar? Que resistência especificar? 2. Se a espécie não está defenida Especificar Classe de RESISTÊNCIA Classe de Resistência - conjunto de classes de qualidade, decorrentes de sistemas de classificação (visual ou mecânica) de madeiras para estruturas, representado para fins de dimensionamento pelas mesmas propriedades físicas e mecânicas. EN classes para Resinosas e 6 para Folhosas medindo σ em peças Classe: Resistência característica (MPa) - flexão - tracção - compressão - corte E o (GPa) médio Massa volúmica Classes de resistência da madeira de resinosas segundo EN 338 característico médio característico C 8 0,3 16 4,3 1,7 7 4, C ,3 17 4,6 1,8 8 5, C 11 0,3 4,8 2,0 9 6, C ,3 5,1 2,4 6, C 0,4 21 5,3 2,5 11 7, C ,4 22 5,6 2,8 12 8, C 0,4 23 5,7 3,0 12 8, C ,4 25 6,0 3,4 13 8, C ,4 26 6,3 3,8 9, Nesta abordagem provetes de dimensão estrutural que incluem os medindo σ em peças σ compressão (ou > ) σ tracção Classes de Na resistência 1ª abordagem madeira provetes de pequenos e s\ folhosas segundo EN 338 Classe: Resistência característica (Mpa): - flexão - tracção - compressão - corte E o (GPa) médio Massa volúmica característico médio característico D D35 D40 D50 D60 D70 σ tracção// = 2 a 4 σ compressão// ,6 23 8,0 3,0 8, ,6 25 8,4 3,4 8, ,6 26 8,8 3,8 11 9, ,6 29 9,7 4,6 11, ,7 32,5 5,3 17, , ,5 6,0 16, FIM Feliz Natal