ESTRUTURAS DE MADEIRA

ESTRUTURAS DE MADEIRA PROPRIEDADES FÍSICAS DA MADEIRA AULAS 2 e 3 EDER BRITO

GENERALIDADES A madeira é um material não homogêneo com muitas variações. Além disto, existem diversas espécies com diferentes propriedades. Sendo assim, é necessário o conhecimento de todas estas características para um melhor aproveitamento do material. Os procedimentos para caracterização destas espécies de madeira e a definição destes parâmetros são apresentados nos anexos da Norma Brasileira para Projeto de Estruturas de Madeira (NBR 7190).

AMOSTRAGEM Sendo as características físicas e mecânicas da madeira influenciadas pelo local de origem da árvore, pelo clima, tipo de solo, tipo de vegetação vizinha etc., é necessário, para se determinar as características da madeira, um estudo estatístico dessas características e a obtenção de seus valores médios ou característicos.

AMOSTRAGEM A NBR 7190 recomenda a fixação de lotes, da madeira a ser utilizada em cada obra, para a caracterização do material. Cada lote de madeira deve ser homogêneo e ter volume máximo de 12 m³. O número mínimo de corpos-de-prova deve atender aos objetivos da caracterização: Caracterização simplificada: 6 corpos de prova; Caracterização mínima da resistência de espécies pouco conhecidas: 12 corpos-deprova.

AMOSTRAGEM A amostra deve ser retirada aleatoriamente do lote de madeira, não podendo retirar mais de um corpo de prova de uma mesma peça. Os corpos de prova devem ser isentos de defeito e retirados de regiões afastados das extremidades das peças de pelo menos 5 vezes a menor dimensão da seção transversal e nunca menor que 30 cm. a 5b ou 30 cm

AMOSTRAGEM O número mínimo de corpos de prova deve atender aos objetivos da caracterização: caracterização simplificada: 6 corpos-de-prova; caracterização mínima da resistência de espécies pouco conhecidas: 12 corpos-de-prova. Nos ensaios de estabilidade dimensional, do total de corpos de prova da amostra, deve ser separada uma amostra de controle de 3 corpos de prova, cujas leituras serão feitas periodicamente, a fim de determinar o fim de cada fase do ensaio. Recomendam-se leituras a cada 20 minutos (as primeiras 6), no início de cada fase, e as demais diariamente.

Caracterização das propriedades das madeiras Os tipos de caracterização do lote, associados ao tamanho mínimo da amostra, segundo a NBR 7190, da ABNT (1997), são os estabelecidos a seguir: Caracterização completa da resistência e rigidez da madeira serrada: A caracterização completa das propriedades de resistência da madeira, para projeto de estruturas, é determinada pelos seguintes valores, a serem referidos à condição padrão de umidade (U=12%):

Caracterização das propriedades das madeiras a. Resistência à compressão paralela às fibras ( f w c 0 ou f c 0 ); b. Resistência à tração paralela às fibras ( f w t 0 ou f t 0 ); c. Resistência à compressão normal às fibras ( f w c 9 0 ou f c 9 0 ); d. Resistência à tração normal às fibras ( f w t 9 0 ou f t 9 0 ); e. Resistência ao cisalhamento paralelo às fibras ( f w v 0 ou f v 0 ); f. R resistência de embutimento paralelo às fibras ( f w e 0 ou f e 0 ); g. R resistência de embutimento normal às fibras ( f w e 9 0 ou f e 9 0 ); h. Módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras: E c0,m (valor médio); i. módulo de elasticidade na compressão normal às fibras: E c90,m (valor médio); OBS.: Admite-se que sejam iguais os valores médios dos módulos de elasticidade à compressão e à tração paralelas às fibras: E c0,m = E t0,m j. Densidade básica ( ρ b a s ); k. Densidade aparente ( ρ ou ρ a p ).

PROPRIEDADES FÍSICAS O solo, o clima e as condições locais de onde provêm a árvore, a classificação botânica e a fisiologia da árvore, a anatomia do tecido lenhoso, a variação da composição química e possíveis outros fatores, são os influentes nas características físicas da madeira. Dado o grande número de variáveis que afetam as propriedades físicas da madeira, os valores que as indicam oscilam ao redor de médias, próprias de cada espécie e obtidas em ensaios de laboratório realizados em determinados números de corpos-de-prova estabelecidos em normas brasileiras. As características físicas mais importantes são: a umidade, a estabilidade dimensional, a densidade e o peso específico.

UMIDADE A água é importante para o crescimento e desenvolvimento da árvore, constituindo uma grande porção da madeira verde. 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.

UMIDADE Quando a árvore é cortada, ela tende a perder rapidamente a água livre existente em seu interior para, a seguir, perder a água de impregnação mais lentamente. A umidade na madeira tende a um equilíbrio em função da umidade e temperatura do ambiente em que se encontra. A esta situação de equilíbrio denomina-se equilíbrio higroscópico e, ao teor de umidade da madeira, de umidade de equilíbrio.

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.

UMIDADE DA MADEIRA

TEOR DE UMIDADE O teor de umidade da madeira, segundo a NBR 7190, da ABNT (1997), corresponde à relação entre a massa da água nela contida e a massa da madeira seca, é dado por: Massa inicial Teor de umidade U % = m i m s m s x 100 Massa seca

PROCEDIMENTOS PARA OBTENÇÃO DO TEOR DE UMIDADE Determinar a massa inicial (m i ) do corpo de prova com precisão de 0,01g ; Após a determinação da massa inicial, colocar o corpo-de-prova na estufa de secagem, com temperatura máxima de (103 ± 2) C; Durante a secagem, a massa do corpo-de-prova deve ser medida a cada 6 horas, até que ocorra uma variação entre duas medidas consecutivas, menor ou igual a 0,5% da última massa medida. Esta massa será considerada como a massa seca (m s ); NOTA: Para temperaturas de (103 ± 2) C, corpos-de-prova de pequenas dimensões necessitam de aproximadamente 48 horas para a completa secagem. Assim pode-se manter o corpo-de-prova na estufa por 48 horas e, em seguida, avaliar a cada 6 horas se a secagem foi completada.

ESTABILIDADE DIMENSIONAL A mais sensível influência do teor de umidade sobre as propriedades da madeira, segundo Logsdon (1998), se dá sobre sua estabilidade dimensional. Inchamentos e retrações A diminuição ou o aumento da quantidade de água de impregnação provoca, respectivamente, a aproximação ou o afastamento entre as cadeias de celulose, causando, respectivamente, a diminuição ou o aumento nas dimensões da peça de madeira. Com o aumento da água de impregnação as cadeias de celulose se afastam causando o inchamento da madeira. Existindo pouca água de impregnação as cadeias se aproximam umas das outras ocorrendo retração da madeira.

ESTABILIDADE DIMENSIONAL Devido à anatomia da madeira, as retrações ou inchamentos ocorrem diferentemente segundo as direções radial, tangencial e axial da peça. Direção axial (1) Direção Radial (2) Direção tangencial (3)

INCHAMENTO O inchamento em determinada direção, para um umedecimento da madeira a partir da situação completamente seca (U=0%) até um determinado teor de umidade (U), é definido, na NBR 7190 da ABNT (1997), como a relação entre a variação dimensional ocorrida e a dimensão na situação inicial (madeira seca).

INCHAMENTO Dimensão na direção x, do corpo de prova úmido (U=U%) ε i,x,u = L x,u L x,sec L x,sec x 100 Deformação especifica, na direção (x), para variação de umidade de 0% até U% (umedecimento inchamento) Dimensão na direção x, do corpo de prova seco (U= 0%)

INCHAMENTO VOLUMÉTRICO V i,u = V U V sec V sec x 100 Volume do corpo-de-prova úmido (U=U%) Variação volumétrica, para variação de umidade de 0% até U% (umedecimento inchamento) Volume do corpo-de-prova seco (U=0%)

DIAGRAMA DE INCHAMENTO O estudo da estabilidade dimensional da madeira iniciou-se no início do século XX, com ensaios de inchamento volumétrico. Através desses estudos pôde-se perceber o formato do diagrama de inchamentos volumétricos, que consiste de uma reta inicial, de coeficiente angular positivo, seguida de uma constante (ver figura ao lado). Para os diagramas de inchamentos lineares admitiu-se o mesmo comportamento, constatado muito mais tarde.

RETRAÇÕES A retração em determinada direção, para a secagem da madeira a partir um determinado teor de umidade (U) até a situação completamente seca (U=0%), é definida, na NBR 7190 da ABNT (1997), como a relação entre a variação dimensional ocorrida e a dimensão na situação inicial (madeira úmida).

RETRAÇÃO Dimensão na direção x, do corpo de prova úmido (U=U%) ε r,x,u = L x,u L x,sec L x,sec x 100 Deformação especifica, na direção (x), para variação de umidade de U% até 0% (secagem retração) Dimensão na direção x, do corpo de prova seco (U= 0%)

RETRAÇÃO VOLUMÉTRICA V r,u = V U V sec V U x 100 Volume do corpo-de-prova seco (U=0%) Variação volumétrica, para variação de umidade de U% até 0% (secagem retração) Volume do corpo-de-prova úmido (U=U%)

RETRAÇÃO NAS PEÇAS DE MADEIRA

DIAGRAMA DE RETRAÇÃO O formato do diagrama de retrações consiste de duas exponenciais, às vezes separadas por um patamar de ajuste. Para baixos teores de umidade, durante a fase de secagem em estufa, observa-se uma exponencial de expoente superior a um, já para elevados teores de umidade, durante a fase de condicionamento, observa-se uma exponencial de expoente inferior a um. Às vezes, na fase final do condicionamento, observa-se um patamar de ajuste praticamente constante.

RELAÇÃO ENTRE INCHAMENTO E RETRAÇÃO Alguns autores, no passado, isolando a dimensão seca na definição de inchamento e substituindo-a na definição de retração, obtiveram uma expressão relacionando inchamento e retração. Esta relação admite por hipótese que a dimensão, em determinado teor de umidade, será a mesma no caso de ser atingida através de um umedecimento (inchamento) ou de uma secagem (retração). Essa hipótese não é verificada na prática, pois a dimensão não é associada diretamente ao teor de umidade do corpo-de-prova, mas a uma parcela dele, o teor de água de impregnação, já que a troca de água livre, com o ambiente, não causa variações dimensionais na peça de madeira.

DENSIDADE O termo densidade é utilizado, no estudo das propriedades da madeira, com o significado de massa específica, ou seja, a relação entre a massa e o volume. Como nas demais propriedades físicas da madeira, a densidade depende da espécie em estudo, do local de procedência da árvore, da localização do corpo-de-prova na tora e da umidade. O valor da densidade também oscila entre valores próximos ao da média característica da espécie. É usual no estudo de madeiras, falar-se em densidade real, densidade aparente e densidade básica.

DENSIDADE REAL Entende-se por densidade real a massa específica do material madeira, descontando-se o volume de vazios. ρ real = m mad V mad Massa seca Densidade real Volume da madeira seca

DENSIDADE APARENTE A densidade aparente (ρ u ) é definida como a razão entre a massa do corpo de prova (m u ) e o seu volume (V u ). ρ U = m U V U Massa da madeira úmida Densidade aparente Volume da madeira úmida

DENSIDADE BÁSICA A densidade básica (ρ bas ), utilizada nas indústrias de papel e celulose, é uma massa específica convencional definida, segundo a NBR 7190, da ABNT (1997), pela razão entre a massa seca (m seca ) e o volume saturado (V sat.), sendo dada por: ρ bas = m sec V sat

PESO ESPECÍFICO Peso específico aparente, ou simplesmente peso específico, é definido como o peso por unidade de volume. É utilizado, no cálculo de estruturas de madeira, para estimar o peso próprio da estrutura, tomando como referência o teor de umidade de 12%. Peso específico aparente γ ap = P 12 V 12 Peso do corpo de prova a 12% de umidade Volume do corpo de prova a 12% de umidade

RESISTÊNCIA AO FOGO A madeira tem um aspecto interessante em relação ao comportamento diante do fogo. Seu problema é a inflamabilidade. No entanto, diante de altas temperaturas provavelmente terá maior resistência que o aço, pois sua resistência não se altera sob altas temperaturas. Assim, em um incêndio ela pode ser responsável pela propagação do fogo, mas em contrapartida suportará a ação do fogo em alta temperatura durante um período de tempo maior.

BIBLIOGRAFIA DA AULA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7190:2010. Projeto de Estruturas de Madeira. Rio de Janeiro. LOGSDON, N. B. e JESUS, J. M. H. Madeiras e Suas Aplicações. Universidade Federal de Mato Grosso. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental. Cuiabá, 2012. PFEIL, W. & PFEIL M. Estruturas de Madeira. 6ª Edição. Livros Técnicos e Científicos S. A. Rio de Janeiro. Brasil, 2003.