MADEIRAS COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO

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1 MADEIRAS COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS + CARACTERÍSTICAS ECONÔMICAS + CARACTERÍSTICAS ESTÉTICAS DIFICILMENTE SE ENCONTRAM EM OUTRO MATERIAL EXISTENTE CARACTERÍSTICAS POSITIVAS DAS MADEIRAS: - Resistência mecânica tão na compressão do que na tração na flexão; 1 o material de construção a ser utilizado em colunas e vigas. - Resistência mecânica elevada (superior aos concretos convencionais) com peso reduzido (densidade) - Resistência elevada a choques e esforços dinâmicos (tenacidade) - Boas características de isolamento térmico e absorção acústica (seca) - Fogo: demora para queimar - Facilidade de afeiçoamento e simplicidade de ligações: podem ser trabalhadas com ferramentas simples fácil para transportar - Custo baixo de produção... - Abundante, renovável, reaproveitável: eco-material - Durabilidade com manutenção adequada - No estado natural: estético e decorativo 1

2 CARACTERÍSTICAS NEGATIVAS: problemas com as madeiras no estado natural - Existe mais de espécies diferentes de árvores Alta variação nas propriedades REMÉDIO : BOA CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-MECÂNICA - Degradação das propriedades e surgimento de tensões internas devido a alterações da sua umidade REMÉDIO : - SECAGEM ARTIFICIAL CONTROLADO - IDENTIFICAÇÃO DO TEOR DE UMIDADE DE EQUILÍBRIO - Deterioração devido a predadores REMÉDIO : TRATAMENTOS DE PRESERVAÇÃO - Heterogeneidade (defeitos e imperfeições), anisotropia (estrutura fibrosa orientada), limitação de suas dimensões REMÉDIO : PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO - Fogo (combustível) REMÉDIO : TRATAMENTOS E PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO - Isolamento acústico REMÉDIO : USO EM PAREDES SANDUÍCHE FLUXOGRAMA DE RENDIMENTO INDUSTRIAL MADEIRA ROLIÇA MADEIRA SERRADA : peças estruturais (+MLC) LÂMINAS : chapas de madeira compensada APARAS : chapas de madeira aglomeradas FIBRAS : chapas de madeira reconstituída (MDF) CELULOSE LIGNINA Resinas Polpa: papel Taninos Moléculas: raiom (seda artificial) Compostos químicos: açucares, álcoois, resinas, etc. 2

3 TODA A MADEIRA DE UMA ÁRVORE: TRONCO, GALHARIA, RAÍZES REDUZIDA EM APARAS OU FLOCOS REAGLOMERAÇÃO GRANDE VARIEDADE DE NOVOS MATERIAIS HOMOGÊNEOS E ISOTROPOS CHAPAS E ARTEFATOS DE MADEIRA TRANSFORMADA ORIGEM, ESTRUTURA E PRODUÇÃO DAS MADEIRAS CLASSIFICAÇÃO DAS ÁRVORES MADEIRA NATURAL Produto do lenho dos vegetais superiores (árvores e arbustos lenhosos) Todas as características com material de construção são decorrentes dessa sua origem de seres vivos e organizados Para o conhecimento do material é necessário considerar os diferentes tipos de árvores e as diferenças no tecido lenhoso BOTÂNICA VEGETAIS SUPERIORES FANERÓGAMAS EXÓGENAS Vegetais completos com raízes, caule, copa, folhas, flores e sementes GERMINAÇÃO E CRESCIMENTO EXTERNO ANÉIS DE CRESCIMENTO 3

4 Angiospermas ou Dicotiledôneas Frondosas, FOLHOSAS (hardwood) árvores de madeira de lei - Perdem as folhas no inverno - Não resinosos - Representam 65% das espécies conhecidas - São1500 espécies úteis (50% tropicais, 15% temperadas) Ginospermas Coníferas, RESINOSAS (softwood) - Não produzem frutos, tem suas sementes (pinhas) descobertas - Tem folhas geralmente perenes em forma de agulhas, folhas aciculares - Geralmente lenho de madeira branca - Com resina - Representam 35% das espécies conhecidas - São 400 espécies industrialmente úteis 4

5 FISIOLOGIA E CRESCIMENTO DAS ÁRVORES Estrutura de uma árvore: - RAIZ - COPA - TRONCO OU CAULE 1) A CASCA protege o lenho veículo da seiva elaborada das folhas para o lenho do tronco * CASCA EXTERNA: CORTIÇA ou camada cortical Tecido morto * CASCA INTERNA: LÍBER ou floema Tecido vivo (seiva elaborada) 2) O CÂMBIO É A USINA DE MADEIRA (tecido merismático) Transformação dos AÇÚCARES E AMIDO em CELULOSE E LIGNINA ANÉIS ANUAIS DE CRESCIMENTO Refletem as condições de desenvolvimento da árvore 5

6 LENHO INICIAL (Earlywood) LENHO TARDIO (Latewood) Zona temperada Lenho de primavera Lenho de verão Zona subtropical e tropical Lenho de primaveraverão Lenho de outonoinverno CONSEQÜÊNCIA ANISTROPIA DA MADEIRA a) DIREÇÃO TANGENCIAL: transversal tangencial aos anéis de crescimento b) DIREÇÃO RADIAL: transversal radial aos anéis de crescimento c) DIREÇÃO AXIAL OU LONGITUDINAL: longitudinal ao caule, no sentido das fibras 6

7 FALSOS OU DESLOCAMENTOS DE ANÉIS DE CRESCIMENTO (Interrupção de crescimento - Estiagens - Ataques de pragas - Abalos sofridos pela planta) 3) O LENHO Núcleo de sustentação e resistência da árvore Seção útil do tronco par a construção civil 7

8 ALBURNO EXTERNO (SAPWOOD) madeira branca Pode ser considerado como uma madeira inacabada ou imperfeita - Formado de células vivas e atuantes - Dá resistência à árvore - É condutor de seiva bruta (ascendente) CERNE INTERIOR (HEARTWOOD) (mais escuro que o alburno) - Formado por células mortas e esclerosadas - Vem do espessamento das paredes das células (do alburno) provocados por sucessivas impregnações de lignina, resina, tanino e corante. COMPARADO COM O ALBURNO, O CERNE TEM: Maior densidade e compacidade Maior resistência mecânica, Maior durabilidade Menor umidade e permeabilidade RETIRAR TODO O ALBURNO COMO IMPRESTÁVEL PARA A CONSTRUÇÃO? 4) MEDULA - Miolo central da seção transversal do tronco (vestígio do vegetal jovem) - Tecido frouxo, mole e esponjoso, até apodrecido - Não tem resistência mecânica e durabilidade - Sua presença em peças de madeira serradas constitui um defeito 5) RAIOS MEDULARES - Desenvolvimentos transversais radiais de células lenhosas - Transporte e armazenamento de nutrientes na seção transversal - Efeito estético e decorativo - Amarram transversalmente as fibras impedindo que elas trabalham exageramente frente às variações do teor de umidade da madeira 8

9 ESTRUTURA FIBROSA DO LENHO ESTRUTURA ANATÔMICA CELULAR COMPORTAMENTO FÍSICO-MECÂNICO HETEROGÊNEO E ANISOTRÓPICO Desempenho desigual de peças proveniente de espécies diferentes ou diversamente localizadas na mesma tora LENHO NAS FOLHOSAS LENHO NAS RESINOSAS 9

10 AS RESINOSAS apresentam: Crescimento rápido; Densidade inferior à das folhosas (no entanto, têm boa resistência); Baixa retração e inchamento limitado; Facilidade de trabalho com ferramentas e maquinas; Facilidade de tratamento de preservação. Madeiras geralmente macias: pinheiro do Paraná (Araucária), pinus (elliottii) pinheiros europeus e norte americanos. Usadas em construções internamente e externamente, em laminadacolada, pisos, revestimentos, esquadrias, portas, etc. AS FOLHOSAS, quando comparadas com as resinosas, apresentam: Crescimento mais lento; Maior densidade e dificuldade de trabalho; Resistência maior; Retração e inchamento maior; Maior durabilidade natural. Exemplos: peroba, ipê, aroeira, carvalho, etc. Usadas em construções internamente e externamente, estruturas, elementos de construção expostos às intempéries. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA C (50%), O (42%), H (6%), N (1%), outros (1%) REPARTIDOS EM CELULOSE - HEMICELULOSE - LIGNINA Outros compostos (0-1%): óleos, resinas, açúcares, amidos, taninos, substâncias nitrogenadas, sais orgânicos, ácidos orgânicos. Molécula de CELULOSE (cadeia): A PAREDE DA CÉLULA: UM COMPÓSITO COM FIBRAS Composta por: - MICROFIBRAS (ou microfibrilas) constituídas por 100 até 2000 cadeias celulósicas; serão as fibras - LIGNINA E HEMICELULOSE são os ligantes das microfibras; serão os componentes da matriz 10

11 Camada S2: - 75% da espessura da parede celular - Microfibras formam um ângulo em volta de 15 o em relação ao eixo principal do tubo Consequência importante em engenharia de madeira : ANISOTROPIA NAS VARIAÇÕES DIMENSIONAIS A MADEIRA: UM DUPLO COMPÓSITO COM FIBRAS 1) LENHO DO TRONCO: composto por pequenos tubos ( fibras ) colados entre si por lignina ( matriz ) 2) PAREDE DO TUBO: composto por microfibras de celulose ( fibras ) coladas entre si por uma mistura de hemicelulose e lignina ( matriz ) IDENTIFICAÇÃO BOTÂNICA DAS ESPÉCIES LENHOSAS 1) IDENTIFICAÇÃO VULGAR Nome vulgar da espécie que é geralmente relacionado a uma característica predominante Ex: - Açoita-cavalo revela uma resistência dinâmica elevada (tenacidade) - Pau-ferro revela uma grande resistência mecânica - Pau-marfim revela uma aparência homogênea do lenho 11

12 2) IDENTIFICAÇÃO BOTÂNICA Identificação do gênero e da espécie do exemplar pelo nome botânico Ex: - Peroba-rosa: aspidosperma polyneuron - Peroba dos campos: paratecoma peroba - Pinho do paraná: araucária augustrifolia 3) IDENTIFICAÇÃO BOTÂNICA-TECNOLÓGICA Identificação cientificamente exata, baseada no estudo comparado da estrutura anatômica do lenho: observação no microscópio da estrutura do lenho PRODUÇÃO DE MADEIRAS A exploração de reservas florestais deve ser realizada com racionalização para conseguir um aproveitamento econômico ecológico adequado 1) O CORTE Em épocas apropriadas: meses de inverno 2) A TORAGEM A árvore é desgalhada e traçada em tora de 5 a 6 m (transporte) Pode ser descascada (descortiçada) e falquejada (retirar 4 costaneiras) 12

13 3) O DESDOBRO (OU DESDOBRAMENTO) Obtenção de pranchões ou couçoeiras com espessura superior a 7,0 cm e largura superior 20,0 cm. 13

14 4) O APARELHAMENTO DAS PEÇAS Obtenção de peças nas bitolas comerciais por serragem e resserragem das pranchas A nomenclatura e as dimensões da madeira serrada estão fixadas na PB5 da ABNT: Madeira Serrada e Beneficiada 14

15 ENSAIOS FÍSICOS E MECÂNICOS DAS MADEIRAS FATORES DE ALTERAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS Escolha da espécie lenhosa determinada para emprego determinado ECONOMIA E SEGURANÇA Conhecendo os valores médios que definem seu comportamento físico e sua resistência às solicitações mecânicas Realização de numerosos ENSAIOS DE QUALIFICAÇÃO que devem levar em conta todos os fatores de alteração das características do material OS FATORES NATURAIS - Espécie botânica da madeira - Massa específica aparente - Localização da peça no lenho - Presença de defeitos - Umidade OS FATORES TECNOLÓGICOS Procedimentos na execução dos ensaios de qualificação: - Forma e dimensões dos corpos de prova, - Orientação das solicitações em relação aos anéis de crescimento - Velocidade de aplicação das cargas nas solicitações mecânicas ENSAIOS NORMALIZADOS Os corpos de provas para ENSAIOS DE QUALIFICAÇÃO devem ser: - De dimensões reduzidas - Extraídos de todas as zonas de seção e altura das toras - Ensaiados em condições convencionais de: Teor de umidade Orientações das solicitações em relação à direção das fibras Velocidade de carregamento AMOSTRAGEM (MADEIRA SERRADA) - NBR 7190/ Cada lote não deve ter volume superior a 12 m 3. - Do lote, extrair uma amostra representativa da totalidade deste. - Retirar somente um corpo de prova (cdp) por peça. - Os cdp devem ser isentos de defeitos e retirados de regiões afastadas das extremidades das peças Número mínimo de corpos-de-prova: a) caracterização simplificada: 6 cdp; b) caracterização mínima de espécies pouco conhecidas: 12 cdp. 15

16 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS MADEIRAS UMIDADE - RETRATILIDADE - DENSIDADE - RESISTÊNCIA AO FOGO - CONDUTIBILIDADE ELÉTRICA, TÉRMICA E ACÚSTICA Definem o comportamento do material e as alterações de seu estado físico quando ocorrem variações (T o C e UR%) no seu ambiente de emprego - Classificar as madeiras sob critérios de usos e empregos recomendados - Orientar uma escolha adequada para emprego específico - Uma melhor utilização das qualidades de cada madeira UMIDADE GRAU DE UMIDADE: quantidade de água que a madeira possui em percentagem de seu peso no estado anidro DETERMINAÇÃO: 1) MÉTODO GRAVIMÉTRICO (cdp de 2x3x5 cm 3 ) h = [(P h - P 0 ) / P 0 ] x 100 = [P água / P 0 ] x 100 2) MEDIDA DA RESISTIVIDADE OBSERVAÇÃO 1) A noção de GRAU DE UMIDADE é aplicável somente com pequenas amostras que atingiram o estado de equilíbrio homogêneo e estável; para peças de grande dimensões, o grau de umidade varia segundo a parte onde é efetuada a medida: superfície, extremidades ou coração da peça. 2) A UMIDADE TOTAL da madeira varia entre 60 e 200 % e, depende: do tipo de madeira (densidade, textura, etc.), da localização na tora (Ex.: cerne - alburno) e da estação (devido às mudanças do estado termohigrométrico do ar). 16

17 AS ÁGUAS DA MADEIRA ÁGUA LIVRE (água de embebição ou água de capilaridade) ÁGUA DE IMPREGNAÇÃO (água de adesão) ÁGUA DE CONSTITUIÇÃO (água ligada quimicamente) SECAGEM DA MADEIRA Verde ou saturada PSF Seca ao ar Totalmente seca Água livre Água de impregnação 17

18 PONTO DE SATURAÇÃO DAS FIBRAS (PSF): entre 25 e 30 % - Teor de umidade da madeira quando ela é colocada num ambiente com 100% de umidade relativa (saturado) - Teor de umidade da madeira quando as paredes das células estão totalmente saturadas em água de impregnação sem que essa água extravase para os vazios capilares O PSF É MUITO IMPORTANTE EM ENGENHARIA DE MADEIRA... TEOR DE UMIDADE DA MADEIRA SECA AO AR TEOR DE UMIDADE DE EQUILÍBRIO (entre 12 e 17 %) Quando é atingido o equilíbrio das tensões de vapor de água, a evaporação da umidade pára e ocorre estabilização do peso É quando o teor de umidade da madeira entra em equilíbrio com a umidade relativa e temperatura do ambiente no qual ela está colocada Usado como TEOR DE REFERÊNCIA nas determinações das características físico-mecânicas do material CONVENCIONALMENTE, É USADO O TEOR DE UMIDADE DE 12 %: TEOR DE UMIDADE NORMALIZADO OU TEOR DE UMIDADE NORMAL CLASSIFICAÇÃO DAS MADEIRAS EM FUNÇÃO DE SEU TEOR DE UMIDADE (AMOSTRAS DE LABORATÓRIO) Teor de umidade (h): Madeira verde 30% PSF Madeira semi-seca 23% Madeira comercialmente seca 17% Madeira seca ao ar 12% Madeira dessecada 0% Madeira complemente seca (anidra) Estado instável SECAGEM DAS MADEIRAS AO AR DEMORADO ESTUFAS 18

19 OBSERVAÇÃO IMPORTANTE A madeira é HIGROSCÓPICA As trocas de umidade com o ambiente são permanentes Qualquer seja a combinação de umidade relativa e temperatura, existe um teor de umidade da madeira pelo qual a difusão de umidade até o interior da madeira é compensada pelas trocas com o ambiente externo; este teor de umidade será determinado a partir das CURVAS DE UMIDADE DE EQUILÍBRIO DA MADEIRA EM % Umidade relativa do ar em % Temperatura em o C OBSERVAÇÃO AINDA MAIS IMPORTANTE Raramente a madeira (em uso) está neste estado de equilíbrio por que as condições climáticas do ambiente sempre variam. Consequentemente, o teor de umidade de um elemento de construção em madeira se estabiliza em volta do teor de umidade de equilíbrio correspondente às temperatura e umidade relativa média de algumas semanas, sem ser afetado pelos ciclos de variações de umidade e temperatura fracos ou altos de curta duração 19

20 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE UMIDADE DE EQUILÍBRIO MADEIRA EM AMBIENTE EXTERNO Indicações da NBR 7190/1997: classes de umidade FLORIANÓPOLIS UR% T o C H% Verão 83 24,2 17 Outono 84 19,4 17,5 Inverno 84, ,5 Primavera 81,5 20,8 16,5 Media (p/ NBR 7190/1997) 83,17 17,1 Umidade de equilíbrio: 17% (máximo = 17,5% e mínimo = 16,5%) ATENÇÃO: nesse caso pegar a media entre o maior e o menor valor de H e não a media dos 4 valores de H Pela NBR 7190/1997: 18% GOIÂNIA UR% T o C H% Verão 81,6 22,9 16,5 Outono 72,7 20,5 13,5 Inverno 55,8 21,1 10 Primavera 75,8 23,1 14,5 Media (p/ NBR 7190/1997) 71,5 13,6 Umidade de equilíbrio: 13,25% (máximo = 16,5% e mínimo = 10%) Pela NBR 7190/1997: 15% 20

21 MARSEILLE (FRA) UR% T o C H% Verão 60 23,5 10,5 Outono Inverno Primavera 71 13,5 13 Media 71,5 13,4 Umidade de equilíbrio: 13,25% (máximo = 16% e mínimo = 10,5%) Se quiser uma maior precisão: pegar a media entre o maior e o menor valor de H nos 12 meses: 21

22 Umidade de equilíbrio media anual Floripa pelo método super preciso: 17,2% FRANCE MADEIRA EM AMBIENTE INTERNO Ambiente externo UR% T o C H% Verão Inverno Umidade de equilíbrio media anual France externo: 15-16% Ambiente interno UR% T o C H% Verão Inverno (aquecimento) Umidade de equilíbrio media anual France interno: 10% 22

23 BRASIL: Indicações da NBR 7190/1997: não há Então, será que o teor de umidade de equilíbrio da madeira em ambiente interno é o mesmo que em ambiente externo? Teor de umidade de equilíbrio da madeira em ambiente interno em Florianópolis (medidas de laboratório): em volta de 13% RECOMENDAÇÃO PARA FLORIANÓPOLIS: - Ambiente externo: 17% - Ambiente interno: 13% RECOMENDAÇÃO PARA OUTRAS REGIÕES: - Ambiente externo: seguir a NBR 7190/1997 ou se quiser maior precisão fazer o levantamento das T o C e UR% ao longo do ano - Ambiente interno: medir... CONCLUSÃO As 4 CLASSES DE UMIDADE DA MADEIRA foram criadas pela NBR 7190/1997 no intuito de facilitar a vida do engenheiro na hora de especificar a umidade da madeira que deve ser alcançada (ou perto) na hora da aplicação das peças para evitar posterior secagem (ou absorção de umidade) em serviço com suas consequências tais como deformações, fissuras, descolamentos, etc. Se o método da NBR 7190/1997 dá uma estimativa razoável do teor de umidade de equilíbrio médio, dois problemas podem ser destacados: 1- Falta de precisão: não leva em conta a temperatura, não considera a media dos extremos 2- Não se aplica para ambientes internos 23

24 RETRATIBILIDADE Alterações de volume e de dimensões quando o teor de umidade da madeira varia entre o ponto de saturação das fibras (25-30%) e a condição de seca em estufa (0%) CONTRAÇÃO, INCHAMENTO OU "TRABALHO" DAS MADEIRAS RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA Determinação de volumes em 3 estágios de umidade (Corpos de prova de 2 x 3 x 5 cm 3 ) - Saturado (verde) V SAT - Seco ao ar V h - Seco em estufa V 0 (1) CONTRAÇÃO VOLUMÉTRICA TOTAL C t = (V SAT - V 0 ) 100 V SAT (2) CONTRAÇÃO VOLUMÉTRICA PARCIAL C h = (V SAT V h ) 100 V SAT (3) COEFICIENTE DE RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA ν = C h h (h = teor de umidade da madeira seca ao ar) 24

25 SIGNIFICAÇÃO FÍSICA DO COEFICIENTE DE RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA ν: A CADA VARIAÇÃO DE 1% DO TEOR DE UMIDADE DA MADEIRA, HÁ UMA VARIAÇÃO DE C h % DO VOLUME DA MADEIRA. RETRAÇÃO TOTAL: CLASSIFICAÇÃO DAS TORAS de espécies lenhosas e uma orientação na escolha da madeira para empregos adequados Retração total % Qualificação Exemplos - Usos Forte Toras com grandes fendas de secagem; devem ser rapidamente desdobradas Média Toras com fendas médias de secagem; podem ser conservadas e usadas em forma cilíndrica (galerias de minas, pontaletes); resinosas em geral 5-10 Fraca Toras com pequenas fendas de secagem; marcenaria e laminados COEFICIENTE DE RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA: CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS JÁ DESDOBRADAS Coeficiente de Qualificação Exemplos - Usos retração 0,75-1 Exagerada Madeiras dificilmente utilizáveis (algumas variedade de eucaliptos) 0,55-0,75 Forte Madeiras para desdobro radial 0,35-0,55 Média Madeiras de construção utilizáveis em carpintaria 0,15-0,35 Fraca Madeira para marcenaria e laminados RETRATILIDADE LINEAR Determinação de dimensões nas 3 direções (axial, radial, tangencial) em 3 estágios de umidade (corpos de prova de 2 x 3 x 5 cm) - Saturado (verde) L SAT - Seco ao ar L h - Seco em estufa L 0 25

26 (1) CONTRAÇÕES LINEARES TOTAIS: C Lt = (L sat - L 0 ) 100 L sat (2) CONTRAÇÕES LINEARES PARCIAIS: C Lh = (L sat - L h ) 100 L sat (3) COEFICIENTES DE RETRAÇÃO LINEAR: ν L = C Lh Comportamento geral: h (h = teor de umidade da madeira seca ao ar) 1) A retração longitudinal é quase desprezível MAS CUIDADO COM AS PEÇAS COM GRANDE COMPRIMENTO EXEMPLO Seja uma viga de 10 m de comprimento Coeficiente de retração linear axial da madeira usada: ν L = 0,15/17 = 0,009 (% / 1% do teor de umidade da madeira) Na aplicação, a umidade inicial da madeira era de 23%. Após se equilibrar com as condições de UR% e T o C do ambiente na qual foi colocada, ela vai passar para 13%. Calculo da contração axial: [(23-13) 0,009 /100] x 1000 = 0,9 cm! 26

27 CAUSA: ângulo de cerca de 15 o que fazem as microfibras de celulose das paredes dos tubos em relação ao eixo principal destes (camada S2): 2) A retração tangencial é entre 1,5 e 3,5 vezes maior que a radial (na prática usa-se a média da duas ) 3) A retração volumétrica é a somatório das três retrações lineares 27

28 SIGNIFICAÇÃO PRÁTICA: Para evitar a retração depois da aplicação, a madeira deve estar seca até um teor de umidade que estará em equilíbrio com as condições de umidade relativa e temperatura do ambiente aonde a peça vai se localizar. SENÃO, PODE OCORRER UMA RETRAÇÃO EM SERVIÇO Perda das juntas Folga nas conexões Rachas na pintura Flambagem Delaminação de lâminas ANISOTROPIA DA RETRATILIDADE LINEAR TENSÕES INTERNAS E DIFERENCIADAS EMPENOS, RACHAS E FENDAS DE SECAGEM 28

29 REPARTIÇÃO DESIGUAL DE UMIDADE DEPOIS DE COLOCAÇÃO SOLUÇÕES PARA A ATENUAÇÃO DOS EFEITOS DA RETRATILIDADE: - Emprego de peças de madeira com TEORES DE UMIDADE COMPATÍVEIS COM O AMBIENTE (usar as curvas de equilíbrio higroscópico para estimativa e, em seguida, deixar no futuro ambiente de emprego ou secagem controlada em estufas). - Emprego do DESDOBRO ADEQUADO - IMPREGNAÇÃO das peças com óleos e resinas impermeabilizantes (no entanto complicado e caro) Onde a madeira está sujeita a GRANDES VARIAÇÕES DE UMIDADE NO AMBIENTE DE EMPREGO, prestar atenção às variações dimensionais. Onde ela está sujeita a VARIAÇÕES DE UMIDADE NUMA MESMA PEÇA, prestar atenção às variações dimensionais diferenciais. MONTE DE OBSERVAÇÕES 1) FENÔMENOS DEVIDOS À DILATAÇÃO TÉRMICA SÃO DESPREZÍVEIS FRENTE ÀS MUDANÇAS DIMENSIONAIS DEVIDAS À RETRATILIDADE 2) AMPLITUDE DAS DEFORMAÇÕES IMBUIA: C Rad = 2,7%; C Tang = 6,3% CANELA-SEBO: C Rad = 4,6%; C Tang = 10,7% 29

30 3) FORMA DAS DEFORMAÇÕES JEQUITIBÁ-ROSA: C Rad = 3,0%; C Tang = 5,2% CARVALHO-BRASILEIRO: C Rad = 3,2%; C Tang = 14% 4) TEMPO PARA DEFORMAR EUCALYPTUS CITRIODORA: 19,4% PINHO-BRASILEIRO (ARAUCÁRIA): 15% Eucalyptus: Araucária: TEMPO: t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 LEMBRE-SE - A UMIDADE DE EQUILÍBRIO da madeira depende unicamente das condições do ambiente (T o C e UR%) mas nunca do tipo de madeira - A amplitude das variações dimensionais depende do tipo de madeira. - Para EVITAR AS DEFORMAÇÕES EM SERVIÇO, deve-se usar madeiras já secas até uma umidade próxima da umidade de equilíbrio. - A umidade da madeira é expressa pela relação entre o peso de água e o peso da madeira anidra - A madeira começa retrair quando sua umidade passa abaixo de 25-30% (PSF) - Cada madeira tem seus próprios coeficientes de retratilidade que são diferentes segundo a direção - TEMOS SEMPRE: ν L 0 e ν T > ν R 30

31 DENSIDADE MASSA ESPECÍFICA (DENSIDADE) APARENTE Mundo: 100 kg/m 3 (balsa - ochroma pyramidale Peru/Bolivia) 1300 kg/m 3 (guaiaco guaiacum officinale America central) Brasil: 350 kg/m 3 (garapuvu - schizolobium parahyba) 1100 kg/m 3 (gombeira melanoxylon brauna) SEMPRE REFERIDA AO TEOR DE UMIDADE: D h = M h/v h (g/cm 3 ou kg/m 3 ) NBR 7190/1997: densidade aparente medida para o TEOR DE UMIDADE NORMAL de 12% Para comparação de densidades de madeiras diferentes e calculo estrutural. É UM ÍNDICE DE COMPACIDADE DA MADEIRA Concentração de tecido lenhoso resistente por unidade de volume aparente (massa específica da parede das células: cerca de 1500 kg/m 3 ). CORRELAÇÕES COM AS CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS VARIA DE PEÇA PARA PEÇA conforme a localização no lenho; VARIA DE EXEMPLAR P/ EXEMPLAR conforme as condições regionais de crescimento 31

32 FOLHOSAS densas 0,8-1kg/dm 3 muito densas > 1 kg/dm 3. RESINOSAS normais 0,3-0,6 kg/dm 3 densas > 0,7 kg/dm 3 OBSERVAÇÃO: DENSIDADE BÁSICA OU MASSA ESPECÍFICA CONVENCIONAL (NBR 7190/1997): D básica = M 0/V sat (g/cm 3 ou kg/m 3 ) Para comparação com valores apresentados na literatura internacional CONDUTIBILIDADE ELÉTRICA BEM SECA: isolante (resistência elétrica elevada) ÚMIDA: condutora PARA UM TEOR DE UMIDADE DADO, A RESISTIVIDADE DEPENDE: - da espécie lenhosa - da massa específica - do sentido em relação à principal direção das fibras Teor de umidade % Resistividade transversal MΩ/cm ,5 Concreto: MΩ/cm Tijolo: 2000 MΩ/cm Aço: MΩ/cm Vidro: MΩ/cm RESISTIVIDADE: AVALIAÇÃO INDIRETA DO TEOR DE UMIDADE Método não destrutivo mas pouco preciso 32

33 CONDUTIBILIDADE TÉRMICA Material K (SI) a 298 K Material K (SI) a 298 K Material muito isolante 0,04 Aço 50 Madeiras leves 0,1 Cobre 300 Madeiras densas 0,3 Água 0,6 Alvenaria de tijolos 0,5-1 Ar 0,025 Pedras naturais 2-3 Lã de vidro 0,04 Vidro 1 Coeficiente de resistividade térmica; 1/K MADEIRA: PÉSSIMO CONDUTOR TÉRMICO - Celulose - Ar CONDUTIBILIDADE TÉRMICA e - teor de umidade - densidade - orientação das fibras MADEIRAS: CONDUTIBILIDADE ACÚSTICA - Contra-indicadas para isolamento acústico - Bons materiais p/ tratamento de absorção acústica NOÇÕES DE ACÚSTICA SOM: VIBRAÇÕES OU ONDAS propagando-se em qualquer substância. 343 m/s ar; m/s madeira; 5000 m/s aço; m/s borracha. VELOCIDADE DO SOM: COMPRIMENTO DE ONDA X FREQUÊNCIA 20 e Hz: recepção do ouvido humano > Hz: ultra-sons. VIBRAÇÕES QUE CAUSAM O SOM AÉREO PRODUZEM UMA MUDANÇA DE PRESSÃO DO AR: Limiar de audição humana: 20 x 10-6 Pa Limiar de dor: 20 Pa INTENSIDADE DO SOM: DECIBEL (db) i = 10 Ln(I/I 0 ) i = intensidade fisiológica do som (db); I = intensidade física do som I 0 = intensidade do som correspondente ao limiar de percepção. 33

34 O DECIBEL COMPARE DOIS SONS * Limiar de percepção 0 db * Farfalhar de folhas 10 db * Barulho de fundo numa Biblioteca pública 40 db * Conversação normal (1 m) 60 db * Tráfego de uma estrada 80 db * Decolagem de avião (747 a 100m de distância); Limiar da dor 120 db 2 SONS NÃO SE SOMAM: A (60 db) + B (60 db) = 63 db A (60 db) + B (60 db) + C(60 db) = 65 db A (60 db) + B (65 db) = 66 db ISOLAMENTO ACÚSTICO (SONS AÉREOS) LEI DA MASSA Atenuação do som (db) Massa / unidade de superfície (kg/m 2 ) 34

35 EXEMPLOS: - Parede de tijolos maciços (2000 kg/m 3 ) de 10 cm (0,1m) de espessura Massa/unidade de superfície = 200 kg/m 2 Atenuação acústica = 42 db - Parede de madeira (800 kg/m 3 ) de 10 cm (0,1m) de espessura Massa/unidade de superfície = 80 kg/m 2 Atenuação acústica = 35 db - Vidraça (2500 kg/m 3 ) de 3 mm (0,003m) de espessura Massa/unidade de superfície = 7,5 kg/m 2 Atenuação acústica = 22 db EFEITO MASSA-MOLA-MASSA EVITAR PONTES ACÚSTICAS Argamassa Canalizações Granulados Pregos, parafusos PROJETOS DE ISOLAMENTO ACÚSTICO: [Nível de som exterior] [Nível de som compatível com ambiente] = [Queda de som a ser realizada com paredes e vedações] MADEIRA? 35

36 CONDICIONAMENTO ACÚSTICO (CORREÇÃO ACÚSTICA) CONDICIONAMENTO ACÚSTICO Procura-se: tempo ótimo de reverberação (eco) + boa distribuição acústica COEFICIENTE DE ABSORÇÃO ACÚSTICA MEDE A PROPORÇÃO DE SOM ABSORVIDO = f(frequência do som) Coeficiente de absorção acústica, por m 2 de parede (Ex. p/ 500 Hz) Alvenaria rebocada Piso cimentado Concreto simples Piso de madeira Cortina leve Chapas acústicas de fibras de madeira 0,025 0,012 0,02 0,09 0,10 0,64 De uma maneira geral, a absorção acústica depende da dureza dos materiais e do seu estado de superfície. ASSIM, MATERIAIS COM GRANDE DUREZA SUPERFICIAL REFLETEM O SOM E MATERIAIS MOLES ABSORVEM MAIS OS SONS. MADEIRA? RUÍDOS DE IMPACTO VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO: FUNÇÃO DA HOMOGENEIDADE E DA ELASTICIDADE (MODULO) DO MATERIAL Material Velocidade de propagação Modulo de Young (GPa) (m/s) Borracha ,01-0,1 Madeira (axial) 0,5-1 (transversal) Tijolo de barro Concreto Aço

37 COMPORTAMENTO AO FOGO CONFORME OS MATERIAIS ENVOLVIDOS, UM INCÊNDIO NASCE, SE PROPAGA E SE EXTINGUE FASE DE DESENVOLVIMENTO Combustibilidade e capacidade de inflamação do material Velocidade de propagação do fogo ou da chama na sua superfície Quantidade de calor emitida por ela FASE DE INCÊNDIO GENERALIZADO Manutenção da capacidade portante e resistente Não propagação do fogo nas zonas adjacentes MATERIAIS: CLASSIFICADOS CONFORME RESISTÊNCIA A 850 C Extinção de um fogo: devem resistir a 850 C. MADEIRAS? MADEIRA NATURAL PEGA FOGO ESPONTANEAMENTE POR VOLTA DE C (a ignição é função do fluxo de calor) Velocidade de combustão: 0,4 e 0,8 mm/min (umidade e densidade) 37

38 A 275 C, o fogo é superficial: forma-se uma cortiça de madeira dura e frágil, mas com baixa condutividade térmica que protege o coração da peça. ASSIM, DURANTE UM INCÊNDIO, OCORRE MAIS UMA REDUÇÃO DA SEÇÃO RESISTENTE DO QUE PERDA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS MANTENDO A CAPACIDADE PORTANTE DA PEÇA DURANTE UM CERTO TEMPO. OBSERVAÇÃO: Se a relação superfície/volume das peças aumenta, a combustão inicia mais rapidamente e as chamas se propagam mais facilmente (Ex.: grandes fendas são prejudicáveis). Estrutura de aço Estrutura de madeira Depois de um incêndio 38

39 OBSERVAÇÕES: 1) PARA LIMITAR O RISCO DE IGNIÇÃO DO FOGO Produtos ignífugos ou retardantes de ignição do fogo à base fosfatos ou silicatos, p/ pintura superficial ou impregnação sob pressão Aumentam a temperatura de ignição e/ou diminuem a velocidade propagação das chamas na sua superfície. 2) PARA LIMITAR A COMBUSTÃO Usar revestimentos protetores 39

40 PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS MADEIRAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E ESTRUTURA DO MATERIAL ANISOTROPIA DA MADEIRA CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS PRINCIPAIS, exercidas no sentido axial e relacionadas à coesão axial; Compressão, tração, flexão estática e dinâmica CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS SECUNDÁRIAS, exercidas transversalmente às fibras e relacionadas à coesão transversal; Compressão e tração normal às fibras, torção, cisalhamento e fendilhamento TODAS AS CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS SÃO RELACIONADAS À - Anisotropia Axial: boa Transversal: ruim - Heterogeneidade - Distribuição e concentração dos principais constituintes - Capacidade de absorção da água - Grau de umidade PRINCIPAIS ELEMENTOS DE RESISTÊNCIA MECÂNICA FEIXES DE FIBRAS PONTOS FRACOS NO DESEMPENHO MECÂNICO Os vazios (vasos lenhosos e canais secretores) Os raios medulares Defeitos (Ex.: nós, fendas, etc.) 40

41 CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES DAS MADEIRAS PARA PROJETOS DE ESTRUTURA NBR 7190/97 1) CARACTERIZAÇÃO COMPLETA DA RESISTÊNCIA DA MADEIRA SERRADA: ensaios padronizados referidos à condição-padrão de umidade (h=12%) de: a) resistência à compressão paralela às fibras b) resistência à tração paralela às fibras c) resistência à compressão normal às fibras d) resistência à tração normal às fibras e) resistência ao cisalhamento paralelo às fibras f) resistência de embutimento paralelo às fibras g) densidade básica e aparente 2) CARACTERIZAÇÃO MÍNIMA DA RESISTÊNCIA DE ESPÉCIES POUCO CONHECIDAS: ensaios padronizados referidos à condição-padrão de umidade (h=12%) de: a) resistência à compressão paralela às fibras b) resistência à tração paralela (ou resistência à tração na flexão) c) resistência ao cisalhamento paralelo às fibras d) densidade básica e aparente. 3) CARACTERIZAÇÃO SIMPLIFICADA DA RESISTÊNCIA DA DE ESPÉCIES USUAIS: ensaios padronizados referidos à condição-padrão de umidade (h=12%) de: a) resistência à compressão paralela às fibras Outros valores de resistências serão deduzidos a partir de relações com a resistência à compressão paralela às fibras Ex.: compressão normal / compressão paralela = 0,25 4) CARACTERIZAÇÃO COMPLETA DA RIGIDEZ DA MADEIRA: ensaios padronizados referidos à condição-padrão de umidade (h=12%) de: a) módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras b) módulo de elasticidade na compressão normal às fibras Admite-se que: E compressão paralela = E tração paralela 5) CARACTERIZAÇÃO SIMPLIFICADA DA RIGIDEZ DA MADEIRA: ensaios padronizados referidos à condição-padrão de umidade (h=12%) de: a) módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras Admite-se que: E compressão normal = E compressão paralela /20 41

42 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AXIAL EM PEÇAS CURTAS NBR 7190/97: CORPOS DE PROVA DE 5x5x15 cm 3 MEDE-SE A TENSÃO DE RUPTURA SECA AO AR CORRIGIDA P/ A UMIDADE PADRÃO DE 12% (classe 1) A RUPTURA OCORRE POR: Flambagem individual das fibras e/ou grupos de fibras seguindo um plano de ruptura entre 50 e 65 o. EFEITO DA UMIDADE NA COMPRESSÃO AXIAL FÓRMULA DE CORREÇÃO (NBR 7190/97) DE VALORES OBTIDOS SECA AO AR (10<h%<20; p/ h%>20 a resistência varia muito pouco) PARA 12% σ 12 = σ h 1 + ( h 12)

43 EFEITO DA MASSA ESPECÍFICA APARENTE NA COMPRESSÃO AXIAL EFEITO DOS DEFEITOS NA COMPRESSÃO AXIAL COEFICIENTES DE REDUÇÃO OU DE MODIFICAÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DEVIDO AOS DEFEITOS (QUALIDADE DA MADEIRA) DESVIO DE FIBRAS OU O CARREGAMENTO OBLIQUO Resistência (%) Angulo das fibras em relação à direção de aplicação da carga NÓS E FENDAS: TAMANHOS E DA DISTRIBUIÇÃO NA PEÇA 43

44 O QUE FAZER? 1) Seguir a norma NBR7190/97 ou 2) Testar com corpos de prova maiores fora de série portadores de defeitos: nós, desvios de fibras, fendas, etc. ELASTICIDADE (RIGIDEZ) NA COMPRESSÃO AXIAL MATERIAL ELÁSTICO PARA TENSÕES QUE NÃO ULTRAPASSAM OS 3/4 DA SUA TENSÃO LIMITE DA RESISTÊNCIA MÓDULO DE YOUNG OU DE ELASTICIDADE (RIGIDEZ) E c0 (E axial ) = (σ 50% - σ 10% ) / (ε 50% - ε 10% ) (GPa) 44

45 EFEITO DA UMIDADE NA RIGIDEZ FÓRMULA DE CORREÇÃO (NBR 7190/97) DE VALORES OBTIDOS SECA AO AR (10<h%<25; p/ h%>25 a rigidez varia muito pouco) PARA 12% E 12 = E h 1 + ( h 12) OBSERVAÇÕES E - sentido das fibras E densidade E nós 45

46 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO NORMAL ÀS FIBRAS NBR 7190/97: CORPOS DE PROVA DE 5x5x10 cm 3 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO NORMAL ÀS FIBRAS: valor convencional determinado pela deformação específica residual de 2 COMPRESSÃO PARALELA VS COMPRESSÃO NORMAL Umidade % > Resistência à compressão paralela às fibras MPa 24,1 49,6 Resistência à compressão normal às fibras MPa 4,14 6,90 46

47 MÓDULO DE ELASTICIDADE NA COMPRESSÃO NORMAL (RIGIDEZ): E c90 (E transversal ) = (σ 50% - σ 10% ) / (ε 50% - ε 10% ) (GPa) E axial = 7-14 GPa; E transversal = 0,5-1 GPa Para a NBR7190/97, é considerado que: E transversal = E axial /20 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO AXIAL 47

48 MÓDULO DE ELASTICIDADE NA TRAÇÃO AXIAL (RIGIDEZ): E t0 = (σ 50% - σ 10% ) / (ε 50% - ε 10% ) (GPa) COMPRESSÃO AXIAL VS TRAÇÃO AXIAL A TENSÃO DE RUPTURA EM TRAÇÃO PODE VALER ATÉ TRÊS VEZES A TENSÃO DE RUPTURA EM COMPRESSÃO TRAÇÃO AXIAL as fibras resistem COMPRESSÃO AXIAL afastamento das fibras que rompem por flambagem individual destas ou grupos destas 48

49 Tensão Para a NBR7190/97, pode ser considerado que: E tração axial = E compressão axial Deformação A FAVOR DA SEGURANÇA, A NORMA (NBR 7190/97) RECOMENDA O USO DA TENSÃO LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO ESTÁTICA COMO TENSÃO LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO PURA DAS MADEIRAS. OBSERVAÇÃO IMPORTANTE P/ UMA MADEIRA DADA SEM DEFEITOS: Tração paralela = 100 MPa Compressão paralela = 50 MPa Tração perpendicular = 2 MPa Compressão perpendicular = 10 MPa APESAR DO FATO QUE A RESISTÊNCIA DA MADEIRA SEM DEFEITOS SEJA MAIOR EM TRAÇÃO DO QUE EM COMPRESSÃO, O INVERSO SE PRODUZ NA MADEIRA COM DEFEITOS ISTO POR QUE A RESISTÊNCIA À TRAÇÃO É MUITO MAIS SENSÍVEL AOS NÓS, DESVIOS DE FIBRAS, FENDAS DO QUE A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO É A TEORIA DO ELO MAIS FRACO PARA MATERIAIS FRÁGEIS QUE DIZ O SEGUINTE: QUANDO UMA CADEIA É SUBMETIDA À UM ESFORÇO DE TRAÇÃO, ELA SERÁ TÃO RESISTENTE QUANTO SEU ELO O MAIS FRACO. 49

50 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NORMAL ÀS FIBRAS RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NORMAL ÀS FIBRAS É FUNÇÃO: - da composição química do aglomerante das fibras - da disposição relativa dos elementos celulares Umidade % > Resistência à tração paralela às fibras MPa Resistência à tração normal às fibras MPa 2,69 2,90 MEDIDA DA ADERÊNCIA ENTRE AS FIBRAS EVITAR ESFORÇOS DESSE TIPO NAS PEÇAS EM SERVIÇO NBR 7190/97: PARA EFEITO DE PROJETO ESTRUTURAL, CONSIDERA- SE COMO NULA A RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NORMAL ÀS FIBRAS DAS PEÇAS DE MADEIRA É UM ÍNDICE DE QUALIDADE DO MATERIAL: para estudos comparativos entre diferentes espécies de madeira 50

51 RESISTÊNCIA À FLEXÃO ESTÁTICA NBR 7190/97: CORPOS DE PROVA DE 5x5x115 cm 3 LIMITE DE RESISTÊNCIA À FLEXÃO para uma seção retangular de altura h e largura b de materiais perfeitamente elásticos, isotropos e homogéneos (e pequenas deformações no caso da madeira): σ f = 3PL/2bh 2 MAS A MADEIRA É UM MATERIAL ANISOTRÓPICO MAS, A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO PODE SER ATÉ 3 VEZES INFERIOR À RESISTÊNCIA À TRAÇÃO PARA MADEIRAS: AJUSTE σ f = 3PL/2bh n n: índice de forma = 10/6 NORMAS TÉCNICAS BRASILEIRAS: USAR FÓRMULA CLÁSSICA A FAVOR DA SEGURANÇA RESISTÊNCIA À FLEXÃO EM FUNÇÃO DA UMIDADE Mesma forma que a resistência a compressão paralela as fibras 51

52 MASSA ESPECÍFICA E DEFEITOS - RESISTÊNCIA À FLEXÃO MÓDULO DE ELASTICIDADE À FLEXÃO MÓDULO DE ELASTICIDADE (RIGIDEZ) NA FLEXÃO ESTÁTICA E flexão = [(F 50% - F 10% ) / (V 50% - V 10% )]. [L 3 /2bh 3 ] (GPa) Para a NBR7190/97, pode ser considerado que: E flexão = 0,85E comp. axial (resinosas) E flexão = 0,90E comp. axial (folhosas) 52

53 RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO ESFORÇOS QUE PROVOCAM O DESLIZAMENTO DE UM PLANO SOBRE O OUTRO MADEIRA É MAL ORGANIZADA PARA RESISTIR À ESTE TIPO DE SOLICITAÇÃO CISALHAMENTO LONGITUDINAL (PARALELO) CISALHAMENTO NORMAL 53

54 RESISTÊNCIA A CARGAS DE GRANDE DURAÇÃO INFLUÊNCIA DA DURAÇÃO SOBRE A RESISTÊNCIA A RESISTÊNCIA DA MADEIRA DECRESCE COM O LOGARITMO DO TEMPO QUANDO UMA CARGA É APLICADA É O FENÓMENO DE RUPTURA RETARDADA Tensão aplicada f (resistência de ensaio estático) 0,8f 0,72f 0,65f 0,64f 0,62f Tempo de ruptura retardada 5 minutos 7 dias 15 dias 30 dias 45 dias 10 anos SE CONSIDERA QUE PARA UMA CARGA DE 0,62f, UMA VIGA RESISTE INDEFINIDAMENTE: É A RESISTÊNCIA PERMANENTE DA MADEIRA 54

55 FLUÊNCIA DA MADEIRA SOB A AÇÃO DE CARGAS DE ATUAÇÃO DEMORADA, A MADEIRA SOFRE DEFORMAÇÃO LENTA: É O FENÓMENO DE FLUÊNCIA OU FADIGA ESTÁTICA Atribuída às alterações na estrutura íntima do material carregado e ao gradual deslizamento dos elementos celulares uns em relação aos outros (devido aos movimentos da água contida nas fibras) CASO 2: CARGAS < RESISTÊNCIA PERMANENTE DA MADEIRA: Deformação elástica imediata + deformação de fluência que se estabiliza: δ tot = δ el + δ c δ el (1 + ϕ) ϕ: coeficiente de fluência (cresce com o valor da tensão aplicada) CASO 1: CARGAS > RESISTÊNCIA PERMANENTE DA MADEIRA: Deformações crescem uniformemente com incremento acentuado até próximo à ruptura. A RUPTURA PODE OCORRER SOB TENSÕES INFERIORES À TENSÃO LIMITE DE RESISTÊNCIA DETERMINADA NOS ENSAIOS COM CARGAS ESTÁTICAS DE CURTA DURAÇÃO 55

56 Para a maioria das espécies lenhosas, o limite de fluência coincida com a resistência permanente da madeira: em volta de 60 % da resistência obtida nos ensaios de curta duração: PEÇAS DE ESTRUTURA DEVERÃO SER DIMENSIONADAS PARA TRABALHAR NO REGIME DE DEFORMAÇÕES ELÁSTICAS DO MATERIAL COM TENSÕES INFERIORES AO LIMITE DE PROPORCIONALIDADE A FIM DE FICAREM PRESERVADAS DA RUPTURA POR FLUÊNCIA. PREVISÃO DA DEFORMAÇÃO: δ total = δ elástica (1 + ϕ) NBR 7190/97: coeficiente de fluência ϕ = f(classe de umidade) Lembrando: 56

57 CLASSES DE RESISTÊNCIA INTRODUZIDAS PELA NBR 7190/1997 COM O OBJETIVO DE INCENTIVAR O EMPREGO DE MADEIRAS COM PROPRIEDADES PADRONIZADAS, ORIENTANDO A ESCOLHA DAS ESPÉCIES A INDICAR PARA A ELABORAÇÃO DOS PROJETOS ESTRUTURAIS CONÍFERAS/RESINOSAS Valores da condição de referência h=12% Classes f c0, k (MPa) f v0, k (MPa) E c0, m (MPa) ρ bás (kg/m³) ρ 12 (kg/m³) C C C DICOTILEDÔNEAS/FOLHOSAS Valores da condição de referência h=12% Classes f c0, k (MPa) f v0, k (MPa) E c0, m (MPa) ρ bás (kg/m³) ρ 12 (kg/m³) C C C C f c0, k : valor característico da resistência à compressão paralela às fibras. f v0, k : valor característico da resistência ao cisalhamento paralelo às fibras. E c0, m : valor médio do módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras. ρ bás : densidade básica (M 0 /V sat ). ρ 12 : densidade aparente à umidade de referência de 12% (M 12 /V 12 ) O VALOR CARACTERÍSTICO USADO É O VALOR CARACTERÍSTICO INFERIOR, MENOR QUE O VALOR MÉDIO, E É O VALOR QUE TEM APENAS 5% DE PROBABILIDADE DE SER ULTRAPASSADO NO SENTIDO DESFAVORÁVEL EM UM DADO LOTE DE MATERIAL. 57

58 RESISTÊNCIA DE CÁLCULO (NBR 7190/1997) VALORES DE CÁLCULO: R d = k mod,i γ w = coeficiente de minoração das propriedades da madeira k mod,i = coeficientes de modificação, considerando influências não cobertas por γ w. Exemplos de valores de γ w : Compressão paralela, γ w = 1,4. Tração paralela, γ w = 1,8. Cisalhamento paralelo, γ w = 1,8. R γ k w VALORES DE COEFICIENTES DE MODIFICAÇÃO k mod, i = k mod,1 k mod,2 k mod,3 k mod, i. Valores de k mod, 1 CONSIDERA A CLASSE DE CARREGAMENTO E O TIPO DE MATERIAL EMPREGADO NA CONSTRUÇÃO DA ESTRUTURA Tipos de material Madeira serrada, madeira laminada colada, madeira compensada Classe de carregamento Permanente 0,60 0,30 Longa duração 0,70 0,45 Média duração 0,80 0,65 Curta duração 0,90 0,90 Instantânea 1,10 1,10 Madeira recomposta 58

59 . Valores de k mod, 2 CONSIDERA A CLASSE DE UMIDADE E O TIPO DE MATERIAL EMPREGADO Tipos de material Madeira serrada, madeira laminada colada, madeira compensada Classe de umidade (1) e (2) 1,0 1,0 (3) e (4) 0,8 0,9 Lembrando: Madeira recomposta. Valores de k mod, 3 CONSIDERA A CLASSE DE QUALIDADE DA MADEIRA (PRIMEIRA OU DE SEGUNDA CATEGORIA) Classe Primeira categoria Segunda categoria Coníferas/Resinosas 0,8 0,8 Dicotiledôneas/Folhosas 1,0 0,8 Exemplo: Madeira C30 R k = 30 MPa (resistência à compressão paralela às fibras) - γ w = 1,4 - carregamento permanente: 0,6 ( k mod, 1) - classe de umidade 3: 0,8 ( k mod, 2 ) - segunda categoria: 0,8 ( k mod, 3 ) R d Compressão paralela = 0,6*0,8*0,8*30/1,4 = 8,22 MPa 59

60 RESISTÊNCIA À FLEXÃO DINÂMICA (OU RESISTÊNCIA AO IMPACTO NA FLEXÃO) RESISTÊNCIA À FLEXÃO DINÂMICA OU TENACIDADE É A CAPACIDADE DO MATERIAL EM RESISTIR OU ABSORVER ESFORÇOS DINÂMICOS OU CHOQUES. NBR 7190/97: CORPOS DE PROVA DE 2x2x30 cm 3 MEDIDA: PÊNDULO DE CHARPY O COEFICIENTE DE TENACIDADE será: K = W com W = (H - h)q (Q: peso do martelo) bh 10/6 H é a altura inicial e h a altura final do martelo COTA DINÂMICA DE TENACIDADE: K/D 2 Permite a seleção de madeiras destinadas à construções móveis e/ou submetidas a choques Categorias K/D 2 Utilização Madeiras frágeis < 0,8 Madeiras inadequadas ao emprego em construções móveis Madeiras medianamente tenazes 0,8-1,2 Madeiras p/ peças submetidas a choques e vibrações: vagões, carrocerias, transversinas, caixas, etc. Madeiras tenazes > 1,2 Madeiras aptas p/ as utilizações citadas acima e ainda com capacidade p/ suportar grandes solicitações dinâmicas: construção aeronáutica, esquis, pás de ventilador, etc. A TENACIDADE DAS MADEIRAS É: - proporcional à seção das peças e é quase independente do vão das mesmas; - praticamente independente da umidade; - máxima, quando o esforço é aplicado na direção radial - mínima quando o esforço é aplicado na direção tangencial 60

61 RESISTÊNCIA AO FENDILHAMENTO MEDIDA DO DESLOCAMENTO AO LONGO DAS FIBRAS PROVOCADO POR UM ESFORÇO DE TRAÇÃO NORMAL E EXERCIDO EXCENTRICAMENTE EM RELAÇÃO À SECÃO CONSIDERADA Caracterização da FISSIBILIDADE das diferentes espécies para uso em seções compostas ou ligações pregadas (estudo comparativo entre espécies de madeira) PARA ESTRUTURAS DE MADEIRAS, ESSE TIPO DE SOLICITAÇÃO DEVE SER EVITADO SEU EFEITO PODE SER ATENUADO COM: - Furação prévia ou despontamento dos pregos nas ligações pregadas - Emprego de conetores, cavilhas e blindagens RESISTÊNCIA À PENETRAÇÃO E AO DESGASTE: DUREZA SUPERFICIAL A DUREZA MEDE A RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL À PENETRAÇÃO, EM SUA SUPERFÍCIE, AO RISCO E AO DESGASTE 61

62 MÉTODO JANKA: NÚMERO DE DUREZA OBSERVAÇÕES SOBRE A DUREZA PERMITE UMA CLASSIFICAÇÃO COMERCIAL DAS MADEIRAS É RELACIONADA COM ÀS DEMAIS CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DO MATERIAL POR MEIO DE FÓRMULAS DE CORRELAÇÃO RESISTÊNCIA AO DESGASTE E USURA EMPREGO EM PAVIMENTAÇÃO: TACOS OU PARQUES AFEIÇOAMENTO: CARACTERIZAR A TRABALHABILIDADE E ADEQUAR FERRAMENTAS E MÁQUINAS DE CORTE MADEIRAS MAIS DURAS OPÕEM MAIS RESISTÊNCIA AO ARRANCAMENTO DE PREGOS E CRAVOS RESISTÊNCIA À CARGAS ALTERNADAS LIMITE DE RESISTÊNCIA À FADIGA: carga máxima que pode suportar, sem romper, uma peça submetida a alternância de tração e compressão ENSAIOS DE FLEXÃO COM TENSÕES REPETIDAS EM MADEIRAS: SE A TENSÃO MÁXIMA APLICADA É INFERIOR AO LIMITE DE PROPOCIONALIDADE, A REPETIÇÃO DE CARGAS NÃO REDUZ A RESISTÊNCIA ENTÃO, O EFEITO DA FADIGA NÃO PRECISA, EM GERAL, SER CONSIDERADO NOS CÁLCULOS DE DIMENSIONAMENTO 62

63 COTAS DE QUALIDADE As RELAÇÕES entre as principais PROPRIEDADES MECÂNICAS da madeira e sua MASSA ESPECÍFICA APARENTE é quase constante em torno de um valor médio para cada espécie lenhosa COTAS DE QUALIDADE SÃO ÍNDICES DE QUALIFICAÇÃO DO MATERIAL PERMITEM ELIMINAR AS VARIAÇÕES DEVIDAS ÀS DIFERENÇAS DE MASSA ESPECÍFICA APARENTE. COTA ESTÁTICA DE FLEXÃO ÍNDICE INDICANDO A APTIDÃO DAS ESPÉCIES P/ VIGAMENTO σ f12 / 100D 12 Entre 20 e 25: madeira é apta para vigamento Entre 15 e 20: madeira é pouco apta para vigamento Entre 10 e 15: madeira é inapta para vigamento COTA DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO (R 12 ) / (100 x D 2 12) - 18 à 20 resinosas leves - 15 à 17 resinosas densas e folhosas leves - 9 à 14 folhosas densas. COTA DE ADERÊNCIA T pp12 /100D 12 (T pp12 : Resistência à tração normal) 0,15-0,30 pouco aderente 0,30-0,45 aderência média 0,45-0,60 muito aderente COTA DE FENDILHAMENTO F 12 /100D 12 0,1-0,2 baixa resistência 0,2-0,3 resistência média 0,3-0,4 boa resistência COTA DE CISALHAMENTO C S12 /100D 12 63

64 DEFEITOS DAS MADEIRAS SÃO ANOMALIAS QUE ALTERAM O DESEMPENHO E AS PROPRIEDADES FÍSICO-MECÂNICAS NAS ESPECIFICAÇÕES DE QUALIDADE DAS MADEIRAS É NECESSÁRIA UMA NORMALIZAÇÃO DOS DEFEITOS EM TERMOS DE IDENTIFICAÇÃO, LOCALIZAÇÃO, GRUPAMENTO E DIMENSIONAMENTO. CLASSIFICADOS CONFORME AS CAUSAS DE SUA OCORRÊNCIA - DEFEITOS DE CRESCIMENTO - DEFEITOS DE SECAGEM - DEFEITOS DE PRODUÇÃO - DEFEITOS DE ALTERAÇÃO DEFEITOS DE CRESCIMENTO NÓS RESULTANTE DE GALHOS DA ÁRVORE PRIMITIVA, VIVOS OU MORTOS, QUE FORAM ENVOLVIDOS POR NOVAS E SUCESSIVAS CAMADAS DE CRESCIMENTO DO LENHO 64

65 NÓS VIVOS NÓS MORTOS A INFLUÊNCIA DOS NÓS NO DESEMPENHO DAS PEÇAS DEPENDE DO TIPO, FORMA, DIMENSÕES E NÚMERO (% DA SEÇÃO OCUPADA); DA SUA LOCALIZAÇÃO NA PEÇA; DO TIPO DE SOLICITAÇÃO (NORMA) COMPRESSÃO: em até 30 % (dependendo da posição) TRAÇÃO: em até 75% (dependendo da posição) FLEXÃO ESTÁTICA: evitar a zona tracionada DESVIOS DE VEIO E FIBRAS TORCIDAS OS DESVIOS DE VEIO E FIBRAS TORCIDAS PREJUDICAM A RESISTÊNCIA DAS PEÇAS ACENTUANDO A ANISOTROPIA E SÃO RESPONSÁVEIS PELOS EMPENOS EM FORMA DE ARCO OU HÉLICE 65

66 Inclinação das fibras 17 o 12 o 10 o 8 o 6,6 o 5,5 o 5 o 0 o MEDIDA % resistência: flexão ou tração paralela % resistência: compressão paralela VENTOS(AS) OU GRETAS DESLOCAMENTOS, SEPARAÇÕES COM DISCONTINUIDADE ENTRE FIBRAS OU ENTRE ANÉIS DE CRESCIMENTO 1: greta parcial 2: greta completa GRANDE INFLUÊNCIA NO CISALHAMENTO PARALELO ÀS FIBRAS REDUÇÃO DA SEÇÃO RESISTENTE 66

67 DEFEITOS DE SECAGEM DEVIDOS À RETRATILIDADE DA MADEIRA DURANTE A SECAGEM EMPENAMENTOS: qualquer desvio na forma geométrica inicial de uma peça de madeira DEVIDOS À ANISOTROPIA DA RETRATILIDADE ENCURVAMENTO ENCANOAMENTO ARQUEAMENTO 67

68 TORCIMENTO RACHAS: grandes aberturas no topo das toras ou peças FENDILHADOS: pequenas aberturas ao longo ou no topo das toras ou peças 68

69 FENDAS: pequenas aberturas radiais no topo das toras ou peças TRAÇÃO E COMPRESSÃO AXIAL, FLEXÃO: se fora da zona crítica, pouco ou nenhum efeito. Mas atenção à questão estética, ou para prevenir a penetração de umidade e subsequente apodrecimento. CISALHAMENTO: redução da seção resistente Depende da sua posição em relação ao plano neutro DEFEITOS DE PRODUÇÃO ABATE E DERRUBADA DAS ÁRVORES FRATURAS, RACHADURAS, FENDAS, MACHUCADEIRAS. DESDOBRO E SERRAGEM DAS PEÇAS CANTOS ESMAGADOS, FIBRAS CORTADAS. DEFEITOS DE ALTERAÇÃO ATAQUE DE PREDADORES (FUNGOS, INSETOS), AÇÃO DA LUZ E CHUVA TRATAMENTOS DE PREVENÇÃO E PRESERVAÇÃO: - INSPEÇÃO REGULAR DAS PEÇAS - substituição se necessário - VENTILAÇÃO ADEQUADA (baixar a umidade) - PRODUTOS PRESERVADORES (impregnação, pintura) - MADEIRAS COM ALTA DURABILIDADE NATURAL (extrativos) 69

70 CLASSIFICAÇÃO DE PEÇAS ESTRUTURAIS DE MADEIRA CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A QUALIDADE CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O MÉTODO VISUAL Exemplos (mais detalhes na norma NBR 7190/97): Defeito Inclinação máxima das fibras % máxima da área da seção transversal ocupada pelo nó Comprimento máximo das rachas Comprimento máximo das fendas PRIMEIRA SEGUNDA TERCEIRA CATEGORIA CATEGORIA CATEGORIA 8 0 (1:7) 12 0 (1:5) 18 0 (1:3) 25% 33% 50% 2 vezes a largura da peça 1 vez a largura da peça Encurvamento máximo* (ex.: p/ uma peça de 2,5 m de comp.) Encanoamento máximo (ex.: p/ uma peça de 300 mm de larg.) Arqueamento máximo (ex.: p/ uma peça de 3 m de comp. e 200 mm de larg.) Torcimento máximo (ex.: p/ uma peça de 3 m de comp. e 200 mm de larg.) *peças com espessura máxima de 38 mm 3 vezes a largura da peça 1,5 vez a largura da peça sem limitações 1/6 do comprimento da peça 17 mm 22 mm 32 mm 10 mm 15 mm 30 mm 6 mm 8 mm 12 mm 25 mm 33 mm 50 mm CLASSIFICAÇÃO MECÂNICA Realização dos ensaios de caracterização mecânica (compressão, cisalhamento e modulo) e físicos (densidade básica e aparente) permitindo a classificação conforme as classes de resistência C20, C25 ou C30 para as resinosas/coníferas e C20, C30, C40 ou C60 para as folhosas/dicotiledôneas. 70

71 DEFINIÇÃO DO COEFICIENTE DE MODIFICAÇÃO: k mod, 3 Classe Primeira categoria, Segunda categoria Coníferas/Resinosas 0,8 0,8 Dicotiledôneas/Folhosas 1,0 0,8 OBSERVAÇÕES IMPORTANTES (NBR 7190/97) - Madeira de terceira categoria não pode ser usada em estruturas - DICOTILEDÔNEAS/FOLHOSAS: Madeira de primeira categoria: usar método visual normalizado + classificação mecânica (garante a homogeneidade da rigidez das peças) NÃO É PERMITIDO CLASSIFICAR COMO DE PRIMEIRA CATEGORIA AS PEÇAS DE MADEIRA SUBMETIDAS APENAS PELO MÉTODO VISUAL DE CLASSIFICAÇÃO - RESINOSAS/CONÍFERAS: em quaisquer casos, k mod, 3 = 0,8. DEVIDO AO FATO DE QUE É ALTAMENTE SIGNIFICATIVO O RISCO DA PRESENÇA DE NÓS NO INTERIOR DAS PEÇAS ESTRUTURAIS, NÃO DETECTÁVEIS APENAS PELA INSPEÇÃO VISUAL - SOMENTE P/ RESINOSAS/CONÍFERAS: DENSIDADE DESCARTAR AS PEÇAS DE DENSIDADE DE ANÉIS DE CRESCIMENTO EXCESSIVAMENTE BAIXA, MESMO QUE ESTAS SEJAM ISENTAS DE DEFEITOS. PEÇAS DE MADEIRA COM MENOS DE 15% DE MADEIRA DE INVERNO (LENHO TARDIO) MEDIDOS EM 25 MM DE UMA LINHA RADIAL REPRESENTATIVA. 71