ESTRUTURAS DE MADEIRA

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO FACET - ENGENHARIA CIVIL SINOP ESTRUTURAS DE MADEIRA Prof. MSc. Letícia Reis Batista Rosas eng.leticiarosas@gmail.com

2 Árvores Dividem-se em: Gimnospermas coníferas, chamadas de softwoods (madeiras moles), típicas de climas frios. No Brasil: Pinheiro-do-Paraná, e madeiras tipo Pinus. Angiospermas chamadas de hardwoods (madeiras duras), constituem a maioria das espécies das florestas tropicais. No Brasil: mogno, peroba, itaúba, cedro, cambará, eucalipto, etc.

3 Fisiologia da árvore Absorção de água e sais minerais pela raiz (seiva bruta) Sobe pelo caule através do xilema até as folhas Fotossíntese: CO2 + água + luz = componentes orgânicos + água + O2 Seiva elaborada -> conduzida pelo floema para as demais partes da planta

4 Fisiologia da árvore Componentes orgânicos produzidos pela fotossíntese (teores): Celulose: polímero constituído por várias centenas de glucoses Lignina: age como um cimento ligando as cadeiras de celulose, dando rigidez e dureza ao material As substancias não utilizadas como alimento pelas células são armazenadas no cerne

5 Estrutura macroscópica da madeira Casca externa: composta de células mortas (proteção) Casca interna: é a parte por onde desce a seiva elaborada (floema) Lenho: parte resistente do tronco, formada pelo alburno e cerne: Alburno: madeira jovem, mais susceptível a ataques biológicos, e menos resistente que o cerne. É a parte por onde sobe a seiva bruta Cerne: madeira mais densa e resistente

6 Estrutura macroscópica da madeira Medula: parte central onde se encontra a região menos resistente da madeira Cambio: visível com de microscópio. É a parte viva da árvore, pois suas células se reproduzem. È responsável pelo aumento do diâmetro, através da adição de novas camadas.

7 Defeitos É difícil encontrar peças de madeira sem nenhum tipo de defeito Alguns defeitos podem ser resultantes do ambiente. Ex: crescimento excêntrico da árvore em busca da radiação solar, quando suprimida por outras árvores. Pode-se ter pranchas com propriedades bem distintas, retiradas da mesma tora, o que aumenta as chanches de problemas

8 Defeitos Existência de nós A presença de nós pode levar a fissura de elementos estruturais de madeira O controle da poda reduz o aparecimento de nós

9 Propriedades físicas da madeira Fatores que influenciam nas características físicas da madeira: Espécie da árvore; Solo e clima da região de origem da árvore; Fisiologia da árvore; Anatomia do tecido lenhoso; Variação da composição química.

10 Propriedades físicas da madeira Características físicas importantes da madeira: Umidade; Densidade; Retratibilidade; Resistência ao fogo; Durabilidade natural; Resistência química.

11 Propriedades físicas da madeira Material ortotrópico: apresenta comportamentos diferentes em relação à direção de crescimento das fibras. Devido à orientação das fibras da madeira e à sua forma de crescimento, as propriedades variam de acordo com três eixos perpendiculares entre si: longitudinal, radial e tangencial.

12 Propriedades físicas da madeira Teor de umidade onde m1 é a massa úmida, m2 é a massa seca e w é a umidade (%). A NBR 7190/97 apresenta em seu anexo B um roteiro detalhado para a determinação da umidade de amostras demadeira.

13 Propriedades físicas da madeira Teor de umidade Na madeira, a água apresenta-se de duas formas: como água livre contida nas cavidades das células (lumens), e como água impregnada contida nas paredes das células. A madeira de árvores vivas ou recém-abatidas apresenta elevada porcentagem de umidade. Neste nível de umidade, diz-se que a madeira está saturada, ou verde.

14 Propriedades físicas da madeira Teor de umidade Quando exposta ao ambiente a madeira perde água livre. O teor de umidade correspondente ao mínimo de água livre e ao máximo de água de impregnação é denominado de ponto de saturação das fibras (PSF ou PS). Para as madeiras brasileiras esta umidade encontra-se em torno de 25%.

15 Propriedades físicas da madeira Teor de umidade A perda de água na madeira até o ponto de saturação das fibras se dá sem a ocorrência de problemas para a estrutura da madeira. A partir deste ponto a perda de umidade é acompanhada pela retração (redução das dimensões) e aumento da resistência. Por isso, a secagem deve ser executada com cuidado para se evitarem problemas na madeira.

16 Propriedades físicas da madeira Teor de umidade Para fins de aplicação estrutural da madeira e para classificação de espécies, a norma brasileira específica a umidade de 12% como de referência para a realização de ensaios e valores de resistência nos cálculos. É importante destacar ainda que a umidade apresenta grande influência na densidade da madeira.

17 Propriedades físicas da madeira Teor de umidade A evaporação da água diminui a densidade da madeira. Redução no custo de transporte. Importância da secagem estabilidade dimensional para aplicação final; melhor desempenho na aplicação de tintas, vernizes e acabamentos; redução da possibilidade de ataques biológicos; aumento da resistência.

18 Propriedades físicas da madeira Densidade A norma brasileira apresenta duas definições de densidade a serem utilizadas em estruturas de madeira: a densidade básica e a densidade aparente. A densidade básica da madeira é definida como a massa específica convencional obtida pelo divisão da massa seca pelo volume saturado e pode ser utilizada para fins de comparação com valores apresentados na literatura internacional.

19 Propriedades físicas da madeira Densidade A densidade aparente é determinada para uma umidade padrão de referência de 12%, pode ser utilizada para classificação da madeira e nos cálculos de estruturas. sendo m e V a massa e o volume da madeira à 12% de umidade.

20 Propriedades físicas da madeira Densidade Quando maior a densidade, mais resistente será a madeira. No entanto, alguns cuidados devem ser tomados em relação à densidade, pois a presença de nós pode aumentar a densidade sem contribuir para melhorar a resistência.

21 Propriedades físicas da madeira Retratibilidade Define-se retratibilidade como sendo a redução das dimensões em uma peça da madeira pela saída de água de impregnação. A retração ocorre em porcentagens diferentes nas direções tangencial, radial e longitudinal. A diferença entre as porcentagens de retração radial e tangencial é um dos fatores responsáveis pelo aparecimento de trincas e outros defeitos no processo de secagem.

22 Propriedades físicas da madeira Retratibilidade As espécies com baixa relação T/R e baixos valores absolutos de T e R são as de melhor desempenho quanto à estabilidade dimensional. Estáveis: Cedro, Mogno e Sucupira. Instáveis: Cambará, Eucalipto Tereticornis e Goiabão. Espécie R (%) T (%) T/R Angelim Pedra 4,3 7,0 1,6 Cambará 3,6 8,7 2,4 Cedro 4,0 5,3 1,3 Cupiúba 4,3 7,1 1,7 Eucalipto Citriodora 6,5 9,6 1,5 Eucalipto Tereticornis 7,3 16,7 2,3 Goiabão 8,9 18,8 2,1 Ipê 5,1 7,8 1,5 Jatobá 3,6 6,9 1,9 Mogno 3,0 4,1 1,4 Sucupira 5,9 7,3 1,2

23 Propriedades físicas da madeira Processo inverso: inchamento Se dá quando a madeira fica exposta a condições de alta umidade (absorve água), provocando um aumento nas dimensões das peças.

24 Propriedades físicas da madeira Resistência ao fogo Erroneamente, a madeira é considerada um material de baixa resistência ao fogo. Uma peça de madeira exposta ao fogo torna-se um combustível para a propagação das chamas. Porém, após alguns minutos, uma camada mais externa da madeira se carboniza tornando-se um isolante térmico, auxiliando na contenção do incêndio, evitando que toda a peça seja destruída.

25 Propriedades físicas da madeira Resistência ao fogo Peças de madeira podem se manter em serviço em condições em que o aço já teria entrado em colapso (escoamento), mesmo não sendo inflamável.

26 Propriedades físicas da madeira Durabilidade natural A durabilidade da madeira, com relação a biodeterioração, depende da espécie e das características anatômicas. Diferença na durabilidade da madeira de acordo com a região da tora da qual a peça de madeira foi extraída: o cerne e o alburno apresentam características diferentes, com o alburno sendo muito mais vulnerável ao ataque biológico. A baixa durabilidade natural pode ser compensada por um tratamento preservativo.

27 Propriedades físicas da madeira Resistência química A madeira apresenta boa resistência a ataques químicos. Em algumas indústrias, ela é preferida em lugar de outros materiais que sofrem mais facilmente o ataque de agentes químicos. Em alguns casos, a madeira pode sofrer danos devidos ao ataque de ácidos ou bases fortes: O ataque das bases provoca aparecimento de manchas esbranquiçadas. Os ácidos causam uma redução no seu peso e na sua resistência.

28 Propriedades mecânicas da madeira As propriedades de resistência e elasticidade são influenciadas pela disposição das fibras e direção da solicitação. A direção longitudinal é coincidente com a direção das fibras (paralela). É a direção que apresenta maior resistência e rigidez.

29 Propriedades mecânicas da madeira As propriedades de resistência e elasticidade são influenciadas pela disposição das fibras e direção da solicitação. As direções tangencial e radial são perpendiculares à direção das fibras. Apresentam valores de resistência e rigidez próximos entre si, mas muito inferiores em relação à direção longitudinal.

30 Propriedades mecânicas da madeira As propriedades de resistência e rigidez na direção paralela às fibras são caracterizadas pelo índice 0. As propriedades de resistência e rigidez nas direções perpendiculares às fibras são caracterizadas pelo índice 90. Esse índice indica o ângulo entre a direção do esforço aplicado e a direção das fibras.

31 Propriedades mecânicas da madeira Compressão A compressão na madeira pode ocorrer segundo três orientações: Paralela às fibras Normal às fibras Inclinada em relação às fibras

32 Propriedades mecânicas da madeira Compressão paralela às fibras As forças agem paralelamente ao comprimento das células. As células reagindo em conjunto conferem uma grande resistência da madeira à compressão. A NBR 7190 define a resistência limite de compressão paralela às fibras como fc 0

33 Propriedades mecânicas da madeira Compressão normal (perpendicular) às fibras A força é aplicada na direção normal ao comprimento das células, direção na qual possuem baixa resistência. Os valores de resistência à compressão normal às fibras são da ordem de ¼ dos valores de resistência à compressão paralela. A NBR 7190 define a resistência limite de compressão normal às fibras como fc 90

34 Propriedades mecânicas da madeira Compressão inclinada em relação às fibras Nas solicitações inclinadas em relação às fibras da madeira, a NBR7190/97 especifica o modelo de Hankinson para estimativa dos valores intermediários: onde θ é o ângulo da força em relação às fibras da madeira.

35 Propriedades mecânicas da madeira Compressão inclinada em relação às fibras A norma brasileira permite desconsiderar a influência da inclinação para ângulos de até 6.

36 Propriedades mecânicas da madeira Tração A tração na madeira pode ocorrer segundo duas orientações: Paralela às fibras Normal às fibras

37 Propriedades mecânicas da madeira Tração paralela às fibras A ruptura por tração paralela pode ocorrer por deslizamento entre as células ou por ruptura das paredes das células. A ruptura ocorre com baixos valores de deformação, o que caracteriza como frágil, e com elevados valores de resistência. A NBR 7190 define a resistência limite de tração paralela às fibras como ft 0

38 Propriedades mecânicas da madeira Tração normal (perpendicular) às fibras A solicitação age na direção normal ao comprimento das fibras, tendendo a separá-las, afetando a integridade estrutural e apresentando baixos valores de deformação. Pela baixa resistência apresentada pela madeira sob este tipo de solicitação, essa deve ser evitada nas situações de projeto. Resistência limite de tração normal às fibras: ft 90

39 Propriedades mecânicas da madeira Cisalhamento O cisalhamento na madeira pode ocorrer sob três formas: Perpendicular às fibras Longitudinal cisalhamento horizontal Longitudinal cisalhamento rolling

40 Propriedades mecânicas da madeira Cisalhamento perpendicular às fibras Este tipo de solicitação não é crítico, pois, antes de romper por cisalhamento, certamente a peça apresentará problemas de esmagamento por compressão normal. Normalmente não é considerado.

41 Propriedades mecânicas da madeira Cisalhamento longitudinal às fibras cisalhamento horizontal Ocorre quando a direção das tensões coincide com a direção das fibras. A peça rompe por escorregamento entre as células da madeira. É a situação na qual a madeira apresenta menor resistência.

42 Propriedades mecânicas da madeira Cisalhamento longitudinal às fibras cisalhamento rolling Ocorre quando a. direção das tensões for perpendicular à direção das fibras. Existe a tendência das células da madeira rolarem umas sobre as outras. É a situação na qual a madeira apresenta menor resistência.

43 Propriedades mecânicas da madeira Flexão simples Ocorrem quatro tipos de esforços: compressão paralela às fibras, tração paralela às fibras, cisalhamento horizontal, e compressão normal às fibras nas regiões dos apoios.

44 Propriedades mecânicas da madeira Flexão simples A ruptura em peças solicitadas à flexão ocorre com a formação de minúsculas falhas de compressão seguidas pelo esmagamento na região comprimida. Este fenômeno gera o aumento da área comprimida na seção e a redução da área tracionada, causando acréscimo de tensões nesta região, podendo romper por tração.

45 Propriedades mecânicas da madeira Torção O comportamento da madeira, quando solicitada por torção, é pouco investigado. A NBR 7190 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.

46 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO FACET - ENGENHARIA CIVIL SINOP ESTRUTURAS DE MADEIRA Prof. MSc. Letícia Reis Batista Rosas eng.leticiarosas@gmail.com