8 ESTRUTURAS DE MADEIRA

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1 ENG01173 (Pro. Alexandre Pacheco) 23 8 ESTRUTURAS DE MADEIRA INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, a utilização da madeira como material de construção tem diminuído substancialmente, perdendo espaço para materiais como o aço e, principalmente, o concreto. No entanto, a madeira é um material que apresenta características estruturais muito atrativas e, por isso, ainda mantém um certo status como material estrutural, mesmo que, nos dias de hoje, razões ecológicas estejam também pressionando por uma diminuição do seu uso. A atratividade ainda existente da madeira como material estrutural pode ser evidenciada ao se comparar as características estruturais dos principais materiais de construção, dados da Tabela 1. Tabela 1 Propriedades de alguns materiais de construção γ (t/m 3 ) c (MPa) t (MPa) y (MPa) Madeira 0,5 1, Aço 7, * Concreto 2,5 40 ** * Valor reerente ao aço para peris estruturais de média resistência, MR250. ** Valor normalmente empregado em peças de concreto premoldado e protendido, de grande controle de qualidade. Através destes dados, veriica-se que a madeira, dentre as suas variadas espécies vegetais, apresenta uma razão resistência-peso que vai de 60 a 90 MPa.m 3 /t na tração e de 50 a 60 MPa.m 3 /t na compressão. Estes valores são bastante superiores àquele apresentado pelo concreto, de 16 MPa.m 3 /t, e mesmo pelo aço, com 32 MPa.m 3 /t. Outro aspecto que tem mantido a madeira ainda como uma opção estrutural interessante é o seu valor arquitetônico, com textura, cor e diversos outros atributos muito particulares e representativos de sua aparência única. Entretanto, há alguns atores que, por muito tempo, prejudicaram em muito a imagem da madeira como material estrutural, tais como sua orte tendência a se deteriorar com o tempo, sua característica intrínseca de apresentar deeitos e mesmo de ser um material ortemente anisotrópico. Estes aspectos são comentados a seguir. Deterioração da Madeira Há duas ormas principais de deterioração das estruturas erigidas em madeira: por ataque biológico e por ação do ogo. No ataque biológico, se tem a suscetibilidade da madeira à ação dos ungos e, principalmente, cupins. Se tem avançado muito em sistemas de proteção contra estes agentes, elevando, no entanto, consideravelmente o preço inal da estrutura. O mesmo ocorre com relação à ação do ogo. Mesmo existindo maneiras de se minimizar sua ação, os custos envolvidos crescem exponencialmente com a eicácia dos sistemas protetores. Normalmente, os processos de manuatura dos elementos estruturais em madeira costumam empregar substâncias contra a ação de agentes biológicos, deixando a proteção contra a ação ao ogo para sistemas de prevenção e de ação rápida dos usuários.

2 ENG01173 (Pro. Alexandre Pacheco) 24 Deeitos da Madeira Ao serem extraídas das dierentes espécies vegetais disponíveis na natureza e próprias para o uso nas estruturas, as peças em madeira apresentam um potencial muito grande para apresentar uma série de deeitos, sob o ponto de vista de uso estrutural. Dentre os principais deeitos, tem-se as endas, ou issuras existentes entre as ibras, o abaulamento, resultante do processo de perda de umidade para o meio-ambiente da madeira, e os nós, resultante do processo de crescimento das árvores. Estes deeitos oram grandemente contornados com o advento das madeiras industrializadas (ver adiante), aumentando, no entanto, e uma vez mais, os custos de produção. Anisotropia da Madeira Outra característica da madeira, e que a torna um material bastante dierente de outros materiais tradicionais da construção civil, é a de ser um material anisotrópico, ou seja, cujas propriedades variam com a direção considerada. Como a madeira é constituída por ibras de lignina orientadas longitudinalmente com o eixo de crescimento da espécie vegetal original, e ormando anéis concêntricos depositados ao longo da vida do vegetal, resultam três direções distintas em que se pode medir propriedades mecânicas: a direção longitudinal, ao longo das ibras; a direção radial, normal às ibras; e a direção tangencial, tangente à ormação dos anéis de crescimento. L R L: direção longitudinal R: direção radial T: direção tangencial T PRODUTOS ESTRUTURAIS DE MADEIRA Estruturalmente, o projetista pode especiicar vários tipos de produtos de madeira a serem empregados, podendo-se classiicá-los em dois grandes grupos: as madeiras maciças e as madeiras industrializadas. As madeiras maciças podem ser subdivididas em madeira bruta; madeira alquejada e madeira serrada. A madeira bruta seriam simplesmente troncos de árvores cortados para o uso, principalmente, em estacas de undação, pilares, escoramentos, etc. A madeira alquejada seriam troncos que são cortados de orma a apresentarem seções transversais retangulares, principalmente quadradas. Já a madeira serrada seria a orma comercial mais comum, originando uma variedade de produtos (caibros, pranchas, sarraos, etc.), aproveitando-se melhor o espécime vegetal cortado.

3 ENG01173 (Pro. Alexandre Pacheco) 25 Madeira bruta Madeira alquejada Madeira serrada Dentre as madeiras industrializadas, para ins estruturais, se tem a madeira laminada e colada. Este produto apresenta grande qualidade pois, através de controles industrializados rigorosos, permite obter produtos com dimensões especiicadas e praticamente sem deeitos. SISTEMAS ESTRUTURAIS EM MADEIRA Basicamente, os mesmos sistemas estruturais vistos para as estruturas metálicas são também comumente utilizados no caso da madeira, sendo o caso clássico a montagem de tesouras para telhados. Desta orma, as treliças tipo Howe, Pratt e Warren estão presentes aqui também. Outra treliça bastante comum é a treliça do tipo belga, que tem apenas elementos diagonais internamente, sem montantes portanto, com muitos dos elementos diagonais azendo ângulos retos com os banzos superiores. Howe Pratt Belga ENSAIOS EM MADEIRA Para a determinação das propriedades mecânicas das dierentes espécies de madeira, pode-se lançar mão de uma série de ensaios de laboratório. Dentre os mais comuns, tem-se, por exemplo, o ensaio de compressão simples. Neste ensaio, ilustrado a seguir, corpos-de-prova prismáticos são levados a ruptura, obtendo-se a resistência à

4 ENG01173 (Pro. Alexandre Pacheco) 26 compressão média, c, e, com o auxílio de instrumentos de medição de deslocamentos (extensômetros), pode-se obter também o módulo de elasticidade médio na compressão, E c. P A 0 = 5 x 5 cm 2 N P σ c = = A A 0 c = P u A 0 15 cm c tg α = E c α ε = L Este mesmo ensaio pode ser conduzido de maneira a se obter os mesmos parâmetros, porém relativamente a corpos-de-prova um pouco mais curtos (10 cm de comprimento) e cortados perpendicularmente à direção de suas ibras. Assim, com o ensaio, obtém-se a resistência à compressão média normal às ibras, cn, e o módulo de elasticidade médio na compressão normal às ibras, E cn. Outro ensaio importante é o ensaio de tração simples. Neste ensaio, corpos-deprova são usinados de maneira que possam ser convenientemente colocados em máquinas de tração. Levando-se os corpos-de-prova à ruptura, pode-se obter a resistência à tração, t, da madeira ensaiada. O módulo de elasticidade na tração não costuma ser medido, bem como não se realiza este ensaio para a obtenção de propriedades medidas normalmente às ibras, pois tais valores tendem a ser muito baixos, sendo desprezados. P N P σ t = = A A 0 t ε = L

5 ENG01173 (Pro. Alexandre Pacheco) 27 Ter que se usinar o corpo-de-prova de tração para que ele ique com uma orma muito peculiar torna a realização do ensaio de tração uma tarea um tanto complicada. No entanto, a resistência à tração das espécies vegetais é um parâmetro muito importante a ser medido. Assim, uma alternativa interessante que se tem, ao invés de se obter a resistência à tração, t, diretamente do ensaio de tração simples, é a obtenção de um resultado equivalente, a resistência à tração indireta por lexão, M, conorme é ilustrado na igura a seguir. h h = 5 cm P h M L = 105 cm + M M = P L 4 M u M u 6 M u M = = W b h 2 δ Um último ensaio bastante importante também é o ensaio de cisalhamento. Neste ensaio, amostras da madeira a ser ensaiada são cortadas de orma que a carga a ser aplicada gere uma solicitação cisalhante num plano pré-deinido de área A 0 medindo 5 x 5 cm 2 (ver igura). Assim, a carga de ruptura, Pu, pode ser utilizada para a determinação da resistência ao cisalhamento média, v, da madeira. 2 cm P u A 0 = 5 x 5 cm 2 5 cm 6,4 cm v = P u A 0 5 cm 5 cm

6 ENG01173 (Pro. Alexandre Pacheco) 28 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE PROJETO DA MADEIRA Conorme visto anteriormente, através de alguns tipos de ensaios mecânicos de laboratório, pode-se obter as principais propriedades mecânicas das espécies vegetais, sejam elas: a resistência à compressão média, c ; o módulo de elasticidade na compressão médio, E c, a resistência à tração média, t ; e a resistência ao cisalhamento média, v. No entanto, como estes valores representam a média de resultados obtidos em laboratório, os resultados para uma estrutura poderiam icar aquém destas médias, o que seria um problema. Para corrigir isto, deve-se trabalhar com valores característicos que, estatisticamente, teriam uma chance de 95% de serem superados pelos valores eetivamente atuantes numa estrutura. Assim, ao longo dos anos, as dierentes espécies vegetais oram classiicadas de acordo com as suas resistências à compressão características em classes de resistência, conorme a tabela a seguir. Tabela 2 Classes de resistência de madeiras. E c (MPa) ck (MPa) Coníeras Dicotiledôneas C C C C C Para a obtenção dos valores característicos de resistência à compressão das dierentes espécies vegetais, a partir de valores médios, têm-se a seguinte relação: ck = 0,7 c No caso de se ter, também, os valores médios de resistência obtidos nos ensaios de tração (direta ou indireta) e de cisalhamento, seus respectivos valores característicos seriam: tk = 0,7 t vk = 0,54 v sendo que, na ausência dos valores experimentais médios, há a alternativa de se determinar os valores característicos com base nas seguintes relações: ck tk = 0,77 vk 0,15 = 0,12 ck ck (coníeras) (dicotiledôneas) Finalmente, para se obter as propriedades de projeto, os valores característicos são transormados da seguinte maneira: k mod mod mod cd = ck td = tk vd = vk 1,4 k 1,8 k 1,8 onde k mod pode sempre ser tomado igual a 0,45, e é um parâmetro que leva em consideração a inluência da categoria da madeira (2 a categoria), da umidade do ambiente ( 75%) e da duração do carregamento (longa duração) nas propriedades consideradas. Já o módulo de elasticidade de projeto (eetivo), E c,e, pode ser obtido diretamente a partir do seu valor médio assim: E c,e = 0,64 E c.