06/03/2015 Propriedades da Madeira 2.1 Introdução Madeiras duras: Árvores frondosas Angiospermas grupo de plantas com sementes formadas dentro de um ovário desenvolvido (fruto) Crescimento lento: Peroba, Ipê, aroeira, carvalho As madeiras duras de melhor qualidade são as chamadas madeiras de lei. Giardino di Boboli, Firenze, IT 1
Peroba: 2.1 Introdução madeireiracarapo.webnode.com.br www.panoramio.com 2.1 Introdução Ipê: flores.culturamix.com 2
06/03/2015 2.1 Introdução Carvalho: houseandgardenningaddicts.wordpress.com 2.1 Introdução Madeiras macias: Coníferas grupo mais representativo das gimnospermas grupo de plantas com sementes não encerradas dentro de um ovário desenvolvido (fruto) Crescimento rápido: Pinheiros Ostia Antica, Itália 3
06/03/2015 2.1 Introdução Madeiras duras x macias Uma madeira dura não é necessariamente um material mais duro (mais denso) e uma madeira mole não precisa ser um material mais mole (menos denso). Por exemplo, a madeira balsa é uma das madeiras mais leves e menos densas que existe, e é considerada madeira dura. um exemplo oposto é o do teixo que sendo uma madeira macia é muito mais dura do que a maioria das madeiras consideradas duras. Também não se distinguem propriamente pela resistência, nem mecânica, nem ao processamento, e sim pela estrutura celular dos troncos. Floresta da Suíça Bohemia, República Tcheca 2.1 Introdução As árvores que produzem madeira de construção crescem pela adição de camadas externas, sob a casca: Casca: externa (morta) e interna (floema) Medula tecido macio Alburno células vivas (xilema) 3 a 5 cm Cerne alburno morto sustentam o tronco 4
2.1 Introdução Madeira de construção de preferência deve vir do cerne; A madeira do alburno é mais higroscópica que a do cerne; A madeira do alburno é portanto mais sensível ao ataque de fungos; A madeira do alburno aceita melhor a aplicação de agentes protetores. Ementa 1. Introdução 2. Microestrutura da Madeira 3. Propriedades Físicas 4. Defeitos 5. Madeiras de Construção 5
2.2 Microestrutura da Madeira As células da madeira, constituem fibras, que são como tubos de paredes finas alinhados na direção longitudinal (axial do tronco) Gesualdo, 2003 Seção Transversal - Pfeil e Pfeil, 2014 Nas coníferas as fibras tanto tem função de transporte como autoportante. 2.2 Microestrutura da Madeira As células da madeira, constituem fibras, que são como tubos de paredes finas alinhados na direção longitudinal (axial do tronco) Gesualdo, 2003 Seção Tangencial - Pfeil e Pfeil, 2014 Extremidades Permeáveis e perfurações laterais das fibras. 6
2.2 Microestrutura da Madeira As Angiospermas (madeira dura) apresentam fibras fechadas, ou seja, apenas com função autoportante. A estrutura celular da madeira constitui a base da excelente razão resistência /peso da madeira Ocas e cantos arredondados e encaixadas Raven et al., 2013 2.2 Microestrutura da Madeira www.japlusu.com www.nasa.gov boasnoticias.pt 7
2.2 Microestrutura da Madeira Composição Química Compostos químicos: 50% celulose (reforço das paredes celulares) 20-25% hemicelulose 20-30% lignina cola das células. (rigidez e resistência à compressão) Sais mineirais (cinzas), resinas, óleos, ceras, etc. A madeira é um material anisotrópico As propriedades mudam com a direção Por quê? Estrutura fibrosa. Raven et al., 2013 8
3 direções principais da madeira: Em função dos tipos de madeira utilizadas na construção civil, raramente se tem necessidade de diferenciar as propriedades nas direções radial e tangencial. Gesualdo, 2003 pauleira.com.br 3 direções principais da madeira: A direção longitudinal, é chamada de direção das fibras principais, ou direção principal. Basta diferenciar a direção longitudinal da direção transversal às fibras principais. Gesualdo, 2003 www.acrisoft.com 9
Umidade: Grande importância sobre as propriedades U Grau de umidade U (%) = Pi Ps.100 P s P i peso inicial P s - peso seco em estufa (até estabilizar) A umidade está presente na madeira de duas formas: Água no interior das fibras (água livre); Água absorvida nas paredes das fibras (água de ligação) pontes de hidrogênio; U Grau de umidade Umidade da madeira viva Madeira verde Não há variação de volume Não há variação das propriedades mecânicas Ponto de saturação Madeira meio seca Madeira seca ao ar Toda água do interior das fibras é evaporada, as paredes ainda estão saturadas Ponto de saturação Ponto de equilíbrio entre a umidade da madeira e a umidade relativa do ar Madeira seca ao ar A faixa de umidade das madeiras verdes varia de espécie para espécie 30% a 130% O ponto de saturação varia com a espécie a média é de 30% 10
Umidade da madeira viva Madeira verde U Grau de umidade Ponto de saturação Madeira meio seca Mudança de volume Madeira seca ao ar O ponto de equilíbrio varia com a umidade do ar, por exemplo entre 10 e 20% para umidade relativa do ar entre 60 e 90%. Utiliza-se então um grau de umidade padrão 12% (NBR 7190/97) Devido a natureza higroscópica (capacidade de absorver água) o grau de umidade de uma peça de madeira em serviço pode variar até mesmo diariamente. U Grau de umidade Piazza et al.,2014 11
U Grau de umidade Diminuindo o U abaixo do ponto de saturação há ganho das propriedades mecânicas (resistência) da madeira. O pico no aumento da resistência se dá para um valor de U em torno de 10-15%. Para U menores ao valor correspondente ao pico, a resistência permanece constante. A madeira pode ser seca para aumentar a resistência num processo controlado artificialmente, mas isso eleva o valor da mesma. Existem medidores portáteis do grau de umidade da madeira. www.tramexltd.com Menor peso no transporte. Vantagens da secagem da madeira Melhoria do resultado de acabamentos (tintas, vernizes, etc.) Redução da probabilidade do ataque de fungos. Aumento das propriedades de Engenharia do material. Retração leva a possíveis problemas nas ligações, empenamentos, caso a madeira seja implantada sem secagem. 12
Retratibilidade Retração ou inchamento com variação da umidade entre 0% e o ponto de saturação. O fenômeno é mais acentuado na direção tangencial: 5 a 10% da dimensão verde; A retração radial é cerca da metade da tangencial A retração longitudinal: 0,1 a 0,3% da dimensão verde. A retração (inchamento) volumétrica é dada pela soma das 3 retrações lineares principais. (Deformação volumétrica para pequenas deformações) Retratibilidade Gesualdo, 2003 Pfeil e Pfeil, 2014 Exercício 2.1 13
Retratibilidade O comportamento do material (madeira) tem de ser conhecido para ser bem usado. Não é um material de propriedades permanentes significantes mudanças nas dimensões podem ocorrer em serviço em função das condições atmosféricas. Mesmo que estimativas de retração não sejam calculadas, o projetista deve permitir que as mudanças volumétricas ocorram. Por isso uma das questões básicas no projeto é a possibilidade da ruptura por tração da madeira. Retratibilidade A madeira tem baixa resistência à tração na direção perpendicular às fibras A retração é muito maior na direção perpendicular às fibras que na longitudinal. O detalhamento das ligações deve ser cuidadoso para permitir movimentações e não deixar que sujam tensões. Além de questões de resistência deve-se atentar para os efeitos da retração na utilização da estrutura. 14
Retratibilidade Considere o exemplo do exercício 2.1: Imagine se uma treliça, cobertura, telhado esteja apoiada numa extremidade numa estrutura porticada de madeira e na outra numa parede de alvenaria ou estrutura de concreto. Uma extremidade sofrerá um abaixamento de 2,1 cm e a outra não. Movimentação diferencial. Ou considere que uma parte do fechamento lateral não é de paneis de madeira caixa da escada, área molhada, etc.. -> Movimentação diferencial numa distância mais curta. Mesmo quando a retração é uniforme (toda construção em madeira), acabamentos, fechamentos laterais, encanamentos, sistemas de aquecimento, sistemas elétricos devem permitir e acomodar a movimentação da estrutura. Retratibilidade Uma vez que as diferenças de grau de umidade produzem diferenças nas dimensões das peças de madeira, qual dimensões usamos? E qual valor da área da seção transversal? Do momento de inércia? O dimensionamento é feito para o valor de referência da madeira seca ao ar. A NBR 7190/97 estabelece o valor de 12% 15
Vsat V εv (%) = V εv δ v = U seca Coeficiente de retratibilidade sat Retratibilidade Volumétrica seca.100 Piazza et al.,2014 Exprime a porcentagem de retração que se verifica para cada 1% nos teores abaixo do Ponto de Saturação. Coeficiente de Retração Tangencial Radial Longitudinal Macia 0,24 0,12 0,01 Dura 0,40 0,20 0,01 Piazza et al.,2014 Na prática despreza-se o valor longitudinal e se pode usar, a favor da segurança os valores tangenciais para os valores transversais. 16
Valores de U comumente aceitáveis para o uso da madeira. Condições Umidade (%) Níveis Críticos Início das retrações significativas apr. 30 Valor mínimo com secagem ao ar apr. 15 Nível admissível de segurança contra ataques de fungos apr. 20 Elementos protegidos das intempéries Locais aerados e com muito aquecimento no inverno 10+-2 Locais aerados e com pouco aquecimento no inverno 13+-2 Locais aerados e sem aquecimento no inverno 15+-2 Sem fechamento lateral 17+-5 Elementos parcialmente protegidos das intempéries Seções pequenas, forte irradiação solar 14+-5 Seções pequenas, fraca irradiação solar 16+-4 Seções médias, forte irradiação solar 12+-4 Seções médias, fraca irradiação solar 15+-4 Elementos diretamente expostos às intempéries Seções grandes, não superficiais 18+-6 Seções grandes, superficiais 20+-8 Piazza et al.,2014 ρap = Influência da umidade na densidade aparente m V 12 12 Para um dado teor de umidade, no caso da NBR 7190/97 12% A quantificação da influência da umidade na densidade aparente pode ser feita por ábacos ou equações empíricas. 17
Diagrama de Kollmann Espécies de clima frio ou temperado Equação de Logsdon (1998) ρ 12 = ρu+ ρu Espécies Brasileiras 12 U ( 1 δv) 100 A NBR 7190/97 não indica o procedimento de correção da umidade aparente Exercício 2.2 18
Dilatação Térmica Linear Longitudinal: 0,3x10-5 a 0,45x10-5 / o C 1/3 o do aço Tangencial e Radial: 4,5x10-5 / o C (duras) a 8,0x10-5 / o C (macias) varia com o peso específico da madeira Um aumento de temperatura sob mesma umidade relativa do ar leva a uma retração da madeira A retração é em geral maior que a dilatação térmica Em geral pode ser desprezada. Atenção para o uso de outros materiais integrados às obras de madeira. Sujeita a: Ataque biológico Durabilidade Ataques abióticos (sais, raios solares, fogo). Se a madeira for usada de maneira apropriada pode ser um material permanente. Se protegida (não exposta às intempéries ou sem contato com o solo) e em condições de baixa umidade do ar (estruturas internas e cobertas) não há necessidade de tratamento químico. A madeira é durável se continuamente submersa em água doce limpa. 19
Durabilidade Contudo se o U varia continuamente, ou a madeira está em contato com o solo, há a necessidade de tratamento químico. Lugares úmidos, piscinas, telhados que aprisionam ar úmido (sem ventilação). Ataque Biológico Fungos, insetos, moluscos e crustáceos www.forumdaconstrucao.com.br Conhecido também como: teredo, turu ou cupimdo-mar, trata-se de um molusco perfurador de madeiras, com corpo alongado e vermiforme, revestido por um tubo calcário que facilita usa entrada inicial na madeira, do qual é seu alimento, porém se alimenta também de plâncton. flagradeumabiologa.blogspot.com 20
Susceptibilidade ao ataque biológico depende de: Parte do tronco de onde se extraiu a peça: alburno é mais susceptível que o cerne Da espécie da madeira Condições ambientais (umidade (U<20%), temperatura e oxigênio) se não houver um dos 3, o apodrecimento é interrompido; Abióticos Geralmente é resistente a ação química (sais); Sensível a ação dos raios solares, combinada com outros agentes atmosféricos (umidade, temperatura, vento e chuva) dá origem a um mecanismo de envelhecimento complexo fotólise. Degradação superficial por raios UV degradação das moléculas de lignina e celulose. 21
Fogo Combustível quanto maior o peso específico, mais combustível é. Peças robustas se oxidam lentamente, guardando o núcleo íntegro (com propriedades mecânicas inalteradas) por um longo tempo; Peças esbeltas e/ou com ligações metálicas precisam de proteção contra o fogo (retardadores de fogo). 2.4 Defeitos Prejudicam a resistência, o aspecto ou a durabilidade: Classificação quanto à origem: 1. Constituição do tronco 2. Processo de preparação da madeira 22
2.4 Defeitos Nós: Imperfeições da madeira nos pontos onde existiam galhos. Galhos vivos na época do abate produzem nós firmes: existia a continuidade dos anéis e fibras; Galhos mortos na época do abate produzem nós soltos: O galho vai sendo englobado com casca e tudo no tronco pode cair durante a serragem, produzindo orifícios; 2.4 Defeitos mind42.com Nós Desviam as fibras longitudinais reduzem a resistência (+ à tração que compressão). Concentram tensões. Efeito ornamental desejado. 23
2.4 Defeitos Nós de Pinho www.contrabaixobr.com Fendas: 2.4 Defeitos Aberturas nas extremidades das peças secagem mais rápida da superfície; Planos longitudinais-radiais, atravessam anéis de crescimento; Evitados por secagem lenta e uniforme da madeira. Retração tangencial é maior que a radial. 24
2.4 Defeitos Gretas ou ventas: Separação entre anéis anuais, provocadas por tensões internas devido ao crescimento lateral da árvore ou ações externas (vento). 1 greta parcial; 2 greta completa. Pfeil e Pfeil, 2014 www.hobbithouseinc.com 2.4 Defeitos Fibras reversas: Fibras não paralelas ao eixo da peça: Natural por exemplo, presença de nós. Processamento - Serragem em plano inadequado commons.wikimedia.org Reduzem a resistência da peça 25
2.4 Defeitos Esmoada ou quina morta: Canto arredondado, formado pela curvatura natural do tronco. Menor resistência maior quantidade de alburno, virginiawoodflows.wordpress 2.4 Defeitos Lenho de reação: Resposta morfogênica de um ramo ou caule inclinado para contrapor a força da gravidade. Nas coníferas (madeira macia) o lenho se desenvolve no lado inferior da parte inclinada lenho de compressão. Nas gimnospermas (madeira dura) o lenho se desenvolve no lado superior da parte inclinada lenho de tração. www.contrabaixobr.com www.contrabaixobr.com 26
2.4 Defeitos Empenamento e torção. O lenho de compressão possui mais lignina e menos celulose que a madeira normal. Durante a secagem a retração na direção axial é 10 vezes maior que a madeira normal A diferença entre a contração da parte normal e da parte que contém o lenho de compressão de uma peça de madeira durante a secagem causa o seu empenamento e torção madeira inútil lenha. www.ebah.com.br O lenho de tração provoca contrações menores, mas também provoca deformações excessivas na secagem Secagem: 2.4 Defeitos Abaulamento: encurvamento na direção da largura da peça. Pfeil e Pfeil, 2014 Arqueadura: encurvamento na direção longitudinal da peça. Pfeil e Pfeil, 2014 27
Tipos: 1 Maciça: bruta ou roliça, falquejada e serrada; 2 Industrializada: Compensada, laminada e colada, recomposta. Madeira roliça: Troncos: estacas, escoramentos, postes e colunas. Espécies comuns: eucalipto e pinus. Abate na estação seca tronco com menor U Remove-se a casca, e deixa-se o tronco secar em local arejado e abrigado do sol. Secagem insuficiente ou inapropriada podem fazer com que as extremidades rachem recomenda-se usar alcatrão ou imperbealizantes nas extremidades. Parque Tingui, Curitiba. 28
Madeira roliça: Devem ser utilizadas nas condições meio seca ou seca ao ar. Os diâmetros comerciais variam entre 15 e 28 cm. www.madeireiragoiana.com.br Madeira roliça: As madeiras roliças com diâmetro variável (tronco de cone) devem ter o diâmetro de cálculo tomado a 1/3 do topo e consideradas cilíndricas. (NBR 7190/97) d = d min d + max d 3 min Pfeil e Pfeil, 2014 29
Madeira falquejada: Obtida dos troncos com corte por machado: estacas, cortinas cravadas, pontes. O processo é simples, mas as partes laterais são perdidas. www.imperiumbrasil.com.br Madeira falquejada: Seção retangular de menor perda é um quadrado 64% da área inscrita Pfeil e Pfeil, 2014 30
Madeira falquejada: Seção com maior módulo resistente 60% da área inscrita Pfeil e Pfeil, 2014 Madeira serrada: Mais comum, limitações geométricas e potenciais defeitos de fabricação. Abatimento na maturidade cerne ocupa a maior percentagem do tronco, e na estação seca. O desdobramento deve ser feito o mais cedo possível após o corte. Evitando efeitos de secagem, Caso o corte se dê na estação chuvosa, deve-se deixar as toras secar por algum tempo. 31
Madeira serrada: Esquemas de corte: Pfeil e Pfeil, 2014 O radial produz material mais homogêneo, mas é mais caro, e menos usado. As toras, por restrições de logística tem comprimento máximo entre 4 e 6 m. Madeira serrada: Secagem e defeitos dependem da posição Pfeil e Pfeil, 2014 Secagem natural empilhada com separadores em galpões ventilados. 1-2 anos (macia) e 2-3 anos (dura) www.madeireirafalsarella.com.br 32
Madeira serrada: Corte incluindo a medula Piazza et al.,2014 Corte passando pela medula Corte da metade de um tronco Qual tem maior probabilidade de sofrer fissuração? www.madeireirafalsarella.com.br Tensões tangenciais empuxo www.madeireirafalsarella.com.br 33
Madeira serrada: Corte incluindo a medula 1/3-1/4 da altura -> não reduzir resistência mecânica e ficar invisível na obra Chanfro de alívio de fissuração www.madeireirafalsarella.com.br Madeira serrada: Secagem artificial: a) Ar quente controlando umidade e temperatura; b) Deslocar a madeira por um túnel alongado, na qual a temperatura do ar aumenta gradativamente Tempo: 10 dias 1 mês por polegada (2,54 cm) de espessura. www.zlsul.com.br www.madeireirafalsarella.com.br 34
Madeira serrada: Dimensões comerciais bitolas nominais em cm (ou polegadas) Ex: Madeira serrada: Dimensões mínimas (NBR 7190/97) evitar fendilhamento e flexibilidade exagerada: Vigas e barras longitudinais de treliças exemplos de peças principais. www.madeireirafalsarella.com.br Pfeil e Pfeil, 2014 35
Madeira compensada: Lâminas finas coladas alternando o sentido (ortogonal) das fibras Madeira compensada - Comportamento estrutural melhor que madeira maciça no estado plano de tensões (almas de vigas, chapas e placas). Laminas de 1 a 5 mm são obtidas de toras ou peças retangulares. Secas ao natural ou artificialmente. Coladas sob pressão. Compensados estruturais (sujeitos à intempéries) devem ser colados com cola sintética. As chapas tem 2,50 x 1,25 m e espessura de 4-30 mm 36
Vantagens da madeira compensada: Dimensões maiores e menos defeitos. Menor retração e inchamento (ortogonalidade das fibras); Resistência mais uniforme. Menos trincas na cravação de pregos. Principal desvantagem preço elevado. Fabricação Madeira laminada e colada: Lâminas coladas sob pressão formando vigas de seção retangular. Lâminas (1,5 a 3 cm) coladas com fibras paralelas. Pode-se colar as extremidades, formando peças com grande comprimento. Preparo: secagem em estufa, preparo (aplainar e serrar nas dimensões necessárias), colagem sob pressão (não alinhadas), acabamento. Existem também as emendas dentadas (mais eficiente) 37
Madeira laminada e colada madeiralaminadacolada.com Madeira laminada e colada www.woodworkmachine.com.pt 38
Vantagens da madeira laminada: Dimensões maiores; Melhor controle de umidade menor retração; Otimização das lâminas mais resistêntes em posições de maiores tensões. Peças curvas Principal desvantagem preço elevado. Contra-flecha Contra-flecha 39
Contra-flecha Contra-flecha 40
Contra-flecha Contra-flecha 41
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Ginásio, Richmond, British Columbia, Canada www.architectural-review.com 43
Madeira microlaminada e colada: Finas lâminas coladas sob pressão formando vigas de seção retangular. Lâminas (1 a 5 mm) coladas com fibras paralelas. Mais homogêneo e resistente que madeiras compensadas e laminada. Madeira recomposta: Placas produzidas a partir de resíduos de madeira serrada e compensada. Em geral não são consideradas material estrutural propriedades mecânicas insuficientes. 44
Leitura recomendada: Grelha da cobertura da biblioteca Paulo Freire, UNILA Foz do Iguaçu, PR 45