MATERIAIS TÉCNICAS E ESTRUTURASII MADEIRA CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES. Parte sólida dos troncos das árvores, que se encontra dentro da sua casca.

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1 MATERIAIS TÉCNICAS E ESTRUTURASII MADEIRA CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES MADEIRA Parte sólida dos troncos das árvores, que se encontra dentro da sua casca. Material elástico, de pouco peso, isolante e fácil de trabalhar. 1

2 MADEIRA Produto Natural; Proveniente de vegetais completos (flores, folhas, caule e raízes) MADEIRA De acordo com a germinação e crescimento: ENDÓGENAS desenvolvimento de dentro para fora não servem para estruturas Palmeiras; Bambus... EXÓGENAS desenvolvimento de fora para dentro servem para produção estrutural Ipê; Peroba; Pinho do Pará... 2

3 Seção Transversal MEDULA Centro do tronco Forma cilíndrica Mais macia do que a madeira envolvente Seção Transversal CERNE Tecido lenhoso Cor escura Usada na construção 3

4 Seção Transversal BORNE Cor clara Circulação da seiva Camada mais jovem que se transforma em cerne Seção Transversal CÂMBIO VASCULAR Dá origem à madeira 4

5 Seção Transversal LÍBER Camada geradora da casca Circula a seixa elaborada Seção Transversal CASCA Camada protetora dos tecidos da árvore 5

6 Seção Transversal RAIOS LENHOSOS Lâminas radias mortas no cerne e vivas no borne Favorecem o fendilhamento da madeira Propriedades Físicas Anisotropia Umidade Dureza Dilatação térmica Retração e inchamento 6

7 Anisotropia Diz-se de um corpo fisicamente homogêneo, mas cujos valores de certas propriedades físicas e químicas variam com a direção: longitudinal, radial e transversal. Dir. transversa l Dir. transversal Dir. longitudin al Dir. longitudinal Dir. radial Dir. radial Umidade ÁGUA DE CONSTITUIÇÃO é a parte integrante da matéria lenhosa ÁGUA DE IMPREGNAÇÃO OU ADESÃO retida pelas membranas ou paredes de matéria lenhosa ÁGUA LIVRE enche as fibras lenhosas, desaparece depois do derrube ou corte da árvore 7

8 Depende de fatores como: Dureza Quanto mais velha maior será a dureza; A madeira do cerne é mais dura do que a do borne; A madeira de árvores de crescimento lento é mais dura do que as de crescimento rápido Dilatação Térmica A dilatação térmica é minorada pela retração, que age no sentido contrário, devido a perda de umidade que acompanha o aumento de temperatura. O coeficiente de dilatação na direção transversal é 8x maior do que na direção longitudinal. 8

9 Retração e inchamento É a propriedade de alterar suas dimensões e volume quando o teor de umidade varia até 30% de umidade. Abaixo de 30% de umidade o inchamento e a retração são proporcionais ao teor de umidade. ANTÔNIO PRADO CASA CARLOS ROTTA FILHO Data da construção: entre 1930 e 1931 Residencial 9

10 ANTÔNIO PRADO CASA ANTÔNIO GUERRA Data da construção: entre 1900 e 1910 Residencial ANTÔNIO PRADO CASA NAPOLEÃO DALLA ZEN Data da construção: em 1917 Comercial (curtume) Residencial 10

11 ANTÔNIO PRADO CASA LUIZ SGARBI Data da construção: em 1914 Escola Pública CURITIBA Memorial da imigração polonesa, inaugurado em 13 de dezembro de 1980, na visita do Papa João Paulo II a Curitiba. 11

12 SÃO PAULO Ponte MLC - USP/ 2 - Campus São Carlos-SP Defeitos NÓS Se formam nos pontos em que os ramos se unem ao tronco Diminui o valor da madeira Reduz a resistência Dá origem a fendas 12

13 Defeitos FIBRA TORCIDA OU REVIRADA As fibras não se desenvolvem paralelamente ao eixo, mas sim em espiral. Devem ser utilizadas apenas como estacas, postes, pilares sem função estrutural. MADEIRA ENCURVADA Defeitos Árvores cujos troncos não cresceram retas. Se o comprimento for pouco extenso, pode-se utilizar como barrotes. 13

14 Defeitos EXCENTRICIDADE DA MEDULA Devido ao vento e a proximidade de rochas, aparece a medula descentrada. Se for pequena, não diminui as qualidades da madeiras. Caso contrário, reduz elasticidade e resistência. IRREGULARIDADES DOS ANÉIS DE CRESCIMENTO Defeitos Causado por bruscas alterações no desenvolvimento da árvore Tem menos valor comercial, por ser pouco elástica e se partir com facilidade 14

15 Defeitos FENDAS Rachas no sentido longitudinal, devido aos gelos e também à insolação e dessecação da madeira Defeitos FENDAS ANELARES São rachas largas que desintegram os raios medulares Inutilizam totalmente a madeira 15

16 Defeitos FENDAS ACEBOLADAS Separação circular dos anéis decrescimento Originam-se do frio e do vento intenso. A madeira desseca-se Defeitos FENDAS EM PATA-DE- GALINHA Chegam até o borne e/ou até a superfície exterior Acontece devido ao envelhecimento da medula 16

17 Defeitos DUPLO BORNE Deve-se aos frios intensos e prolongados que impedem a transformação do câmbio vascular em borne e deste em cerne, ficando morta uma zona do borne. Variação das Propriedades Posição de origem na árvore Maior resistência na base e nas camadas inferiores do tronco Maior resistência no cerne do que no borne Influência de defeitos Classificam as madeiras estruturais em: Primeira, segunda e terceira categoria 17

18 Variação das Propriedades Influência de umidade A resistência diminui até atingir o ponto de saturação das fibras de 30%, após este nível permanece constante. Influência de temperatura A resistência sofre redução com o aumento da temperatura e vice-versa. Fluência da madeira Deformação lenta sob a ação de cargas demoradas. Variação das Propriedades Relaxação Em deformação constante a tensão elástica sofre relaxação. Ruptura retardada Submetida a cargas durante longo período, a peça estrutural poderá romper-se após dias ou meses. 18

19 Variação das Propriedades Resistência a efeitos dinâmicos A resistência é maior para cargas de longa duração. Resistência à fadiga A resistência à fadiga, em geral é maior à dos metais. Maciças Classificação das madeiras de construção Madeira bruta usada em forma de troncos para postes, escoramentos, estacas, etc. Madeira falquejada seção quadrada ou retangular, utilizada em postes de madeira, cortinas cravadas, estacas. Madeira serrada mais utilizada. Os troncos são desdobrados nas serrarias em dimensões padronizadas. 19

20 Classificação das madeiras de construção Industrializadas Madeira laminada e colada usada largamente na Europa. A madeira é cortada em lâminas e coladas sob pressão com adesivo à prova de água. Madeira compensada as lâminas são coladas com as fibras em sentido alternado. Classificação das madeiras de construção Industrializadas Madeira reconstituída as fibras são unidas por pressão com ou sem adição de ligante. Madeira aglomerada formada por lâminas impregnadas de material ligante. Sem fim estrutural. 20

21 MDF medium density fiberboard MDF é uma chapa fabricada a partir da aglutinação de fibras de madeira com resinas sintéticas e ação conjunta de temperatura e pressão. Para a obtenção das fibras, a madeira é cortada em pequenos cavacos que, em seguida, são triturados por equipamentos denominados desfibradores. HDF high density fiberboard HDF São chapas com resistências físicomecânicas melhoradas para aplicações que requeiram alta resistência à flexão, suportando pesos elevados ou repetidos impactos. Estas chapas obtêm-se aumentando a quantidade de fibras, de resina aglutinante, e modificando o ciclo produtivo. Uso em: escadas, prateleiras industriais, tampos de bancadas industriais, estruturas de mesas, componentes de cadeiras, assoalhos. 21

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24 Classificação comercial da madeira Quanto à resistência: Duras Provenientes de árvores frondosas e de crescimento lento (Dicotiledôneas, que possuem folhas achatadas e largas). Exemplo: Ipê, Aroeira e Carvalho Macias Provenientes em geral das coníferas. Tem folhas em forma de agulhas ou escamas e apresentam crescimento rápido. Exemplo: Pinho e eucalipto. Classificação comercial da madeira Quanto ao número de defeitos: Primeira Isentas de defeitos pela inspeção do método visual normalizado e enquadradas nas tabelas 8 e 9 da NBR 7190 em relação a sua resistência. Cada tipo de madeira deve no mínimo atingir determinada resistência. Segunda Quando não atender aos critérios acima. 24

25 NBR 7190/1997 Ensaios de Norma Projeto de estruturas de madeira Medidas de propriedades físicas Umidade Densidade Dureza Ensaios de Norma NBR 7190/1997 Projeto de estruturas de madeira Medidas de propriedades mecânicas Compressão paralela e normal às fibras Tração paralela e normal às fibras Flexão Cisalhamento paralelo às fibras, na lâmina de cola Fendilhamento Resistência à tração na emendas Resistência nas ligações mecânicas 25

26 Ensaios de Norma NBR 7190/1997 Projeto de estruturas de madeira Medidas de resistência dinâmica Resistência aos impacto na flexão Classe de Madeiras 26

27 Classe de Madeiras Classe de Madeiras 27

28 Classe de Madeiras Formas Comerciais Pranchão 15,0 x 23,0 cm Pranchão 10,0 x 20,0 cm Pranchão 7,5 x 23,0 cm Viga 15,0 x 15,0 cm Viga 7,5 x 15,0 cm Viga 7,5 x 11,5 cm Viga 5,0 x 20,0 cm Viga 5,0 x 15,0 cm 28

29 Formas Comerciais Caibro 7,5 x 5,0 cm Caibro 5,0 x 7,0 cm Caibro 5,0 x 6,0 cm Sarrafo Sarrafo Tábua Tábua Tábua Ripa 3,8 x 7,5 cm 2,2 x 7,5 cm 2,5 x 23,0 cm 2,5 x 15,0 cm 2,5 x 11,5 cm 1,2 x 5,0 cm Corte É o conjunto de operações de se efetuam para dividir longitudinalmente os troncos obtidos das árvores e limpos de ramos, fazendo deles peças menores apropriadas para a sua utilização. 29

30 Corte Corte (falquejamento) com que se obtém uma peça inteiriça com arestas vivas e quatro costaneiras Corte Corte em quatro Consiste em dar dois cortes perpendiculares pelo centro 30

31 Corte Corte Radial É feito seguindo a direção dos raios medulares. Corte Corte em fiadas paralelas Obtém-se tábuas e pranchas de diferentes larguras. 31

32 Corte Corte de Paris Começa-se por obter uma grossa peça central e seguidamente outras nos lados, de menor tamanho. Corte Corte em Cruz Consiste em tirar uma grossa peça central, dos dois lados obtém-se outras peças grossas e finalmente os quatro pedaços restantes dividem-se radialmente em forma de tábuas. 32

33 Corte Corte Holandês Começa-se por um corte em quatro pedaços. Depois faz-se em cada uma das partes uma série de cortes paralelos. Corte Corte por encontro de cortes Separa-se primeiro uma prancha central. Dos dois lados vão-se tirando tábuas e pranchas por meio de encontro de cortes. 33

34 APODRECIMENTO Causas da Deterioração Desenvolvimento de fungos e bactérias, devido a umidade da atmosfera e a temperatura do meio ambiente, quando a percentagem de umidade é superior a 30% e as temperaturas forem superiores a 25 o C ou 30 o C. Causas da Deterioração AÇÃO DOS INSETOS carunchos e cupins FOGO as peças maiores tem mais resistência, devido a uma camada de carvão mineral na superfície do tronco, que serve como isolante térmico. AÇÕES MECÂNICAS extração de pedaços do tronco AGENTES QUÍMICOS 34

35 APODRECIMENTO Causas da Deterioração Desenvolvimento de fungos e bactérias, devido a umidade da atmosfera e a temperatura do meio ambiente, quando a percentagem de umidade é superior a 30% e as temperaturas forem superiores a 25 o C ou 30 o C. Deterioração Para proteger as madeiras contra estas deteriorações, elas são submetidas a diversos tratamentos. Em qualquer caso, é importante um BOA SECAGEM de maneira natural ou artificialmente. 35

36 Processos de preservação Superficiais Depois da secagem, é aplicada com pincel ou imersão uma camada superficial de preservativo para inibir a passagem de insetos e fungos. Processos de preservação De Impregnação sem pressão A madeira é colocada imersa numa solução com preservativo a 100 o C. A ação do preservativo é expelir o ar existente no interior da madeira, fazendo com que o produto seja absorvido pela pressão atmosférica. 36

37 Processos de preservação De Impregnação com pressão Em grande quantidade de madeira são os mais eficientes. A madeira é colocada numa câmara onde é feito o vácuo para remover o ar da madeira. O preservativo é introduzido sob pressão. Autoclave MADEIRA AUTOCLAVADA significa madeira obtida de florestas cultivadas e renováveis e impregnada em unidades industriais (autoclaves) com um agente preservante, apresentando alta durabilidade, economia, segurança, versatilidade, fácil manutenção e garantia de qualidade. 37

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44 Propriedades da madeira estrutural NBR 7190 de 1997 Resistência Da Madeira Notações resistência à compressão paralela às fibras f c,0 resistência à tração paralela às fibras f t,0 resistência à compressão normal às fibras f c,90 resistência à tração normal às fibras f t,90 resistência ao cisalhamento paralelo às fibras f v,0 resistência de embutimento paralelo às fibras f e,0 resistência de embutimento normal às fibras f e,90 44

45 Caracterização simplificada da madeira f t0,k = 1,30 f c0,k f tm,k = 1,00 f c0,k f c90,k = 0,25f c0,k para coníferas: fv0,k = 0,15fc0,k para dicotiledôneas: fv0,k = 0,12fc0,k f e0,k = 1,00f c0,k f e90,k = 0,25f c0,k Ensaios de caracterização Tração paralela às fibras 45

46 Ensaios de caracterização Compressão paralela às fibras Cisalhamento paralelo às fibras 46

47 Caracterização completa da rigidez Notação Valor médio do módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras E c0,m Valor médio do módulo de elasticidade na compressão normal às fibras E c90,m Caracterização simplificada da rigidez E c90 = 1/20 E c0 Valores de referência - NBR-7190 VALORES MÉDIOS DE MADEIRAS CONÍFERAS NATIVAS E DE FLORESTAMENTO (U = 12%) Nome vulgar Nome botânico ρ ap(12%) kg/m 3 f c0 MPa f t0 MPa f t90 MPa f v MPa E c0 MPa Pinho do Paraná Auracaria angustifolia ,9 93,1 1,6 8, Pinus caribea P.caribea var.caribea ,4 64,8 3,2 7, Pinus bahamensis P.carib.var.bahamensis ,6 52,7 2,4 6, Pinus hondurensis P.caribea v.hondurensis ,3 50,3 2,6 7, Pinus elliottii Pinus elliottii v. elliottii ,4 66,0 2,5 7, Pinus oocarpa Pinus oocarpa shiede ,6 60,9 2,5 8, Pinus taeda Pinus taeda L ,4 82,8 2,8 7,

48 VALORES MÉDIOS DE MADEIRAS DICOTILEDÔNEAS NATIVAS E DE FLORESTAMENTO (U = 12%) Nome vulgar Nome botânico ρ ap(12%) kg/m 3 f c0 MPa f t0 MPa f t90 MPa f v MPa E c0 MPa Angelim araroba Votaireopsis araroba ,5 69,2 3,1 7, Angelim ferro Hymenolobium spp ,5 117,8 3,7 11, Angelim pedra Hymenolobium petraeum ,8 75,5 3,5 8, Angelim p. verdadeiro Dinizia excelsa ,7 104,9 4,8 11, Canafístula Cassia ferruginea ,0 84,9 6,2 11, Cedro doce Cedrella spp ,5 71,4 3,0 5, Eucalipto paniculata Eucalyptus paniculata ,7 147,4 4,7 12, Ipê Tabebuia serratifolia ,0 96,8 3,1 13, Jatobá Hymenaea spp ,3 157,5 3,2 15, Louro preto Ocotea spp ,5 111,9 3,3 9, Maçaranduba Manikara spp ,9 138,5 5,4 14, Sucupira Diplotropis spp ,2 123,4 3,4 11, Valores médios e característicos Valor médio de uma propriedade da madeira é simplesmente a média aritmética dos valores dos resultados obtidos por ensaio. Valor característico de uma propriedade de madeira é aquele que tem probabilidade de 5% de ser ultrapassado em um determinado lote de material. 48

49 Valores característicos por classes de resistência Coníferas (padrão de referência 12%) Classes f c0,k MPa f V0,k MPa E c0,m MPa ρ bas,m kg/m 3 ρ aparente kg/m 3 C C C Dicotiledôneas (padrão de referência U=12%) Classes f c0,k MPa f V0,k MPa E c0,m MPa ρ bas,m kg/m 3 ρ aparente kg/m 3 C C C C Resistência de cálculo da madeira X Coeficientes de ponderação de resistência γ wc = 1,4resistência à compressão γ wt = 1,8 resistência à tração γ wv = 1,8 resistência ao cisalhamento d = k mod X γ k w Tensão σ t 0 ( MPa ) Tensão σ c0 ( MPa ) f t0 f c0 σ 50 % σ 50 % σ 10 % α σ 10 % α ε 10 % ε 50 % Deformação específica ε 0 ( m t µ m) 0 ε 10 % ε 50 % Deformação específica ε c 0 ( µ m m) 49

50 Coeficientes de modificação k mod = k mod,1 k mod,2 k mod,3 Madeira dicotiledônea serrada Madeira conífera serrada Madeira laminada colada Valores de k mod 3 1ª categoria 2ª categoria 1ª e 2ª categorias peças retas peças curvas 1,0 0,8 0,8 0,8 ou 1,0 t r 2 t é a espessura das lâminas e r é o menor raio de curvatura das lâminas Coeficientes de modificação Classes de umidade Umidade relativa do ambiente U amb 65% 65% U amb 75% 75% U amb 85% U amb 85% Valores de k mod 2 Umidade de equilíbrio 2% 15% 18% 25% Tipos de madeira Serrada, laminada colada e compensada 1,0 1,0 0,8 0,8 Madeira recomposta 1,0 1,0 0,9 0,9 k mod,2 = 0,65 para madeira submersa 50

51 Coeficientes de modificação Classes de carregamento Permanente Longa duração Média duração Curta duração Instantânea Mais de seis meses Menos de uma semana Muito curta Valores de k mod 1 Duração acumulada da ação variável principal da combinação Vida útil da construção Uma semana a seis messes 0,60 0,70 0,80 0,90 1,10 Tipos de madeira Serrada, laminada colada e cmpensada Madeira recomposta 0,30 0,45 0,65 0,90 1,10 Barbada? então vamos voltar ao exercício 51

52 Dimensionar uma viga de madeira laminada colada de 8,00m de vão teórico e seção retangular a ser construída com lâminas de madeira conífera Classe 30, medindo cada uma delas 12cm de largura por 2cm de espessura. A viga terá por finalidade servir de apoio para as vigas secundárias de 10cm de largura indicadas no esquema abaixo. A ação de cada uma das vigas secundárias sobre a viga principal é decorrente da combinação de cargas permanentes Gk = 2.5 kn e de cargas variáveis Qk = 5,0 kn. E' cerca de 80% a umidade relativa do ambiente. Não considerar o peso próprio da viga principal. Os entalhes previstos nos extremos da viga principal deverão ter a altura máxima permitida pela norma. 10 cm 10 cm B C 2,00m 2,00m 2,00m 2,00m B 52

53 Dimensionamento - estados limites últimos 1. Resistências de cálculo das madeiras Coníferas Classe 30 Coeficiente de modificação carregamentos de longa duração: k mod1 =0,70 umidade ambiente U amb =80%: k mod2 =0,80 - coníferas de 1ª ou 2ª categorias..: k mod3 =0,80 Resistências de cálculo kmod = 0,70 0,80 0,80 = 0,45 Compressão paralela às fibras: Tração paralela às fibras fc0, k 30,0 fc0, k = 30,0 MPa fc0, d = kmod = 0,45 = 9, 6 MPa γ 1,4 ft0, d = fc0, d = 9, 6MPa wc - Cisalhamento paralelo às fibras fv 0, k 6,0 fv 0, k = 6,0MPa fv 0, d = kmod = 0,45 = 1, 5MPa γ 1,8 wv FIM 53