Propriedades das Madeiras e suas variações

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Estrutura de Madeira
Aula 2 - Propriedades das Madeiras e suas
Variações
INTRODUÇÃO
A situação é mais comum do que se imagina: sem que percebamos, de uma hora para outra, a porta do armário, de
madeira, não fecha mais... – “— Está empenada!” – é o que dizem! Provavelmente, todos nós temos algum móvel ou
esquadria em nossas casas e já nos deparamos com situações semelhantes a esta.
Se, em portas de armário, gavetas e esquadrias, este problema já causa um incômodo, imagine em uma peça estrutural!
Por conta disto, o conhecimento das propriedades da madeira, dos seus defeitos e de suas variações, em função das
condições ambientais, é de suprema importância para que possamos medir e projetar estruturas de madeira,
considerando ser um material que interage com o meio que o rodeia e que suas propriedades variam com os seus
defeitos.
OBJETIVOS
Reconhecer as propriedades das madeiras usadas na construção civil.
Identi�car os defeitos que ocorrem nas madeiras.
Discutir os efeitos que as variações climáticas têm sobre as propriedades das madeiras.
Como foi discutido na aula anterior, as propriedades da madeira variam consideravelmente segundo uma série de fatores.
Os mais importantes são:
Fonte: wk1003mike / Shutterstock
Assim, iremos discutir as propriedades da madeira como material de construção, os seus fatores intervenientes e a
ocorrência de defeitos que in�uenciam a sua qualidade. Estes conceitos serão importantes para entender a origem dos
coe�cientes utilizados na NBR 7190/1997, que tentam fazer com que os projetistas incorporem estes fatores na
consideração das propriedades das peças de madeira estrutural.
  Propriedades mecânicas
Entende-se por propriedades mecânicas aquelas utilizadas para avaliar a resistência a esforços, tensões e deformações,
como a resistência à compressão, à tração, à �exão, à torção e ao cisalhamento, além do módulo de elasticidade.
A Tabela 1, já apresentada na 1ª Aula, lembra algum as dessas propriedades:
Tabela 1 – Dados comparativos entre os materiais de construção mais utilizados em estruturas.
Adaptado de Calil Jr. e Dias, (1997), apud Calil et al (2003).
Onde:
Fonte da Imagem:
Densidade. No caso da madeira, considerada em relação à umidade de 12%;
Fonte da Imagem:
Módulo de elasticidade (mesmas considerações da resistência);
Fonte da Imagem:
Resistência. Para o concreto, tomada em relação à resistência à compressão; para o aço, a tensão de escoamento do aço
ASTM A-36; e para a madeira, considerada a resistência à compressão paralela às �bras, à umidade de 12%;
Fonte da Imagem:
Energia consumida na produção. Para a madeira, foi considerada a energia solar.
Anisotropia da Madeira
Um dos pontos mais importantes, quando se avaliam os materiais para uso estrutural, é a manutenção das suas
propriedades conforme as forças e suas ações mudam de direção. Esta característica é denominada de isotropia.
(glossário)
Anisotropia (glossário), então, é o seu oposto, isto é, um material anisotrópico possui diferenças, em suas propriedades,
consoante à direção considerada.
Para as madeiras, têm-se diferentes propriedades e resultados se as utilizarmos transversalmente ou longitudinalmente
em relação aos seus troncos. Assim, todas as propriedades ou resistências devem ser consideradas em duas dimensões
ou direções:
  Uma paralela às �bras longitudinais (e, portanto, na mesma direção do eixo do seu tronco);
  Outra transversal (na direção dos raios medulares).
A Figura abaixo ilustra essas direções:
Figura 1 – Direções principais na madeira.
Fonte: Ritter (1990), apud Calil et al (2003).
Além disso, a madeira apresenta diferentes propriedades que dependem de uma série de fatores como o local onde a
árvore cresce, a posição na altura da árvore, na sua seção transversal, na maior ou menor incidência de nós etc.
A seguir, trataremos das suas propriedades, tanto na direção longitudinal (paralela) quanto na direção transversal
(perpendicular) ao seu tronco.
Resistência Mecânica
      » Tração e Compressão Paralela às Fibras
Quando consideramos a madeira como material estrutural, em grande parte das ocasiões, levamos em conta as suas
resistências à compressão e axial, no sentido longitudinal às �bras, sendo esta a direção vista na Tabela 1.
As �guras a seguir exempli�cam a ação de tração e a compressão paralela às �bras, diferenciando-as, sempre que
possível, da condição perpendicular:
Figura 2 – Esquema do ensaio de compressão paralela às �bras. No detalhe, a ruptura das �bras por �ambagem.
Figura 3 – (A) Compressão paralela às �bras e (B) Compressão perpendicular às �bras. Fonte: Calil et al (2003).
Pode-se considerar que as compressões, paralela e perpendicular às �bras, atuem como forças agindo em um conjunto
de canudinhos plásticos: ao serem comprimidos, longitudinalmente, apresentam resistência considerável, muitas das
vezes rompendo por �ambagem (glossário) (Figura 2).
A Figura a seguir apresenta o esquema do ensaio de tração paralela às �bras, detalhando as dimensões do corpo de
prova, veja:
Figura 4 – Esquema do ensaio de tração paralela às �bras.
A ruptura das �bras por tração paralela conforme �gura abaixo, ocorre com fragilidade, a uma carga levemente superior à
obtida pelo ensaio de compressão paralela às �bras, a qual apresenta comportamento dúctil. (glossário)
Figura 5 – Ruptura das �bras por tração paralela.
      » Tração e Compressão Perpendicular ou Normal às Fibras
Como visto na Figura 3-B, o efeito da compressão perpendicular às �bras pode ser representado através de uma analogia
à resistência de diversos “canudinhos” plásticos ligados uns aos outros pela lignina.
A Figura abaixo ilustra, além da compressão paralela às �bras, a compressão normal às �bras e a inclinada, muito comum
em ligações.
Figura 6 – Tipos de compressões em peças estruturais de madeira.
Fonte: Ritter (1990) apud Calil et al (2003).
A Figura a seguir, apresenta um esquema de ensaio de compressão normal às �bras:
Figura 7 – Esquema de ensaio de compressão paralela às �bras.
Considera-se a tração perpendicular às �bras como inexistente ou nula, para �ns estruturais. Isto porque a resistência à
tração normal é de�nida primordialmente pela resistência do elemento ligante das �bras longitudinais — a lignina.
A Figura abaixo ilustra os efeitos das forças de tração tanto no sentido longitudinal quanto no sentido transversal à peça:
Figura 8 – Ações de forças de tração paralela às �bras (à esquerda) e perpendicular ás �bras (à direita).
Por �m, as �bras longitudinais das peças de madeira, quando submetidas à compressão perpendicular às �bras, sofre um
encurtamento do seu diâmetro, conforme demonstrado na Figura a seguir.
Figura 9 – Achatamento da seção transversal das �bras longitudinais quando submetidas ao esforço de compressão
normal às �bras.
      » Módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade das madeiras, assim como as suas resistências, também varia segundo a direção considerada.
Trabalha-se com as peças de madeira em regime linear elástico, onde temos uma correlação entre as tensões aplicadas e
deformações, permitindo-nos obter o módulo de elasticidade do material.
A Figura 10 ilustra uma medição das deformações, em uma peça de madeira, submetida à compressão perpendicular às
�bras com o auxílio de um relógio comparador devidamente calibrado. A medição das deformações e tensões para a
obtenção do módulo de elasticidade é realizada segundo métodos especí�cos de ensaio, de acordo com a Norma
7190/1997.
Figura 10 – Esquema do ensaio de compressão perpendicular às �bras e medição das deformações visando à obtenção
do módulo de elasticidade.
  Propriedades químicas
» Resistência ao fogo
Uma das propriedades mais curiosas da madeira estrutural é a sua resistência ao fogo. Por ser um material natural,
orgânico, a madeira naturalmente vem sendo utilizada como combustível desde as eras primitivas até hoje. Por isso,
parece estranho comentarmos sobre a resistência ao fogo das peças de madeira estrutural.
Vejamos o que acontececom uma peça de madeira submetida ao fogo:
Figura 11 – Detalhe de uma peça de madeira exposta ao fogo demonstrando as fases obtidas, como a madeira
carbonizada, a sua base, a camada queimada e sua base e, mais internamente, a madeira sã.
Desta forma, observa-se que a madeira apresenta uma resistência ao fogo considerável, dependendo do porte da peça.
Quem já tentou atear fogo em uma fogueira sabe que o fogo só se inicia depois de pegar nas menores peças. Para que a
peça seja inteiramente consumida, a exposição ao fogo deve ser muito prolongada, pois a camada de madeira
carbonizada e queimada isola a madeira sã do calor, prolongando a sua resistência.
Em uma foto clássica, a Figura 12 mostra que, em uma situação de incêndio, a madeira permaneceu com a sua função
estrutural, enquanto o aço que se apoiava nela perdeu a função estrutural, pois o calor obtido diminuiu a sua rigidez:
Figura 12 – Situação encontrada após um incêndio, onde a viga de madeira permaneceu com o seu papel estrutural a
despeito das deformações das vigas de aço que ela apoiava. Fonte: PFEIL, W. e PFEIL M. (2003).
» Resistência às Intempéries
A madeira, assim como qualquer outro material, sofre danos severos quando colocados em situações de molhagem-
secagem. A ação da água e de outros �uidos também afetam a madeira, pois essa água é tanto adsorvida quanto
presente nos seus espaços vazios, gerando alterações volumétricas que dani�cam as micro e macroestruturas da
madeira.
bango / Shuttertock
» Resistência a Fungos e Outros Biodegradadores
Por ser um material natural, a madeira apresenta suscetibilidade quanto ao ataque de fungos e outros organismos
denominados xilófagos (glossário), sendo destes, os fungos e os insetos os mais comuns.
Fungos e bactérias causam a deterioração da madeira pela liberação de enzimas que reagem com os constituintes da
madeira, quebrando sua estrutura molecular orgânica.
Cupins, besouros e outros insetos degradam a madeira por utilizarem-na como esconderijo ou alimento, escavando
verdadeiras galerias nas peças de madeira.
Amy Walters / Shuttertock
  Propriedades físicas
Várias são as propriedades físicas da madeira que podemos relacionar, como densidade (ou massa especí�ca), umidade,
contração, inchamento, adsorção e a própria anisotropia dimensional. Para processos fabris e em obras, é importante
conhecermos os efeitos adversos da contração e inchamento, os quais dependem de alguns fatores, como:
É possível que você esteja se perguntando...Qual a importância de conhecer esses fatores?
O conhecimento destes fatores possibilita o melhor manejo das peças estruturais de madeira em obras, evitando
exposição às intempéries, como a chuva e o sol.
A densidade e a umidade das peças são fatores de extrema importância na avaliação das condições estruturais de cada
peça. A densidade também varia com a umidade, alterando outras propriedades como a resistência mecânica de maneira
geral.
Por este motivo, é importante que utilizemos as propriedades em situações padronizadas e conhecidas para, então
considerarmos as suas características físicas, dimensionais e mecânicas conforme de�nido pela Norma.
Concentraremos nossas atenções para a umidade e para densidade.
Umidade
A umidade da madeira pode ser obtida através da seguinte fórmula:
      » Contração e Inchamento
A mudança de volume da madeira que se veri�ca entre zero e 28% U, devido à adsorção de água, é considerada uma de
suas propriedades físicas mais importantes, afetando e limitando consideravelmente o seu uso industrial em vários
ramos de utilização (BOM, 2011).
Assim como em nossa pele, que enruga ou “engelha” pela adsorção de água entre as nossas células, aumentando de
volume, a madeira sofre fenômeno semelhante e também aumenta de volume, e diminui quando a sua umidade é inferior
a sua umidade de equilíbrio, ou como conhecida, a “umidade de �oresta”.
Atenção
, Acima de 28% de umidade, considera-se que os espaços existentes entre as células da madeira foram preenchidos, de maneira que
um acréscimo de umidade não signi�ca grande aumento de volume como na faixa entre 0 e 28%.
  Defeitos
Defeitos na madeira, conforme discutido nos tópicos anteriores, in�uenciam fortemente as suas propriedades chegando
a inviabilizar os seus usos tanto industriais como na construção civil. Relacionaremos os defeitos intrínsecos e os
defeitos oriundos do bene�ciamento.
Defeitos Intrínsecos
Nós: Trata-se da porção basal de um ramo, que provoca desvios no tecido lenhoso de sua
vizinhança. Quanto a sua aderência na madeira, podemos considerá-los como:
Fonte: Sascha Preussner / Shutterstock
A importância de como os nós se apresentam (incluso, transverso ou repassado) é justi�cada
pelo fato que seus tamanhos, suas concentrações ou seus agrupamentos in�uem de forma
muito signi�cativa na classi�cação e no valor comercial da madeira.
Os nós depreciam as peças de madeira, principalmente devido à presença do veio irregular
que, no caso de um esforço de compressão paralelo às �bras, fará com que a madeira se
comporte com instabilidade. O veio irregular também pode afetar a resistência das peças
sujeitas à �exão, além de di�cultar a sua trabalhabilidade e causar prejuízo às ferramentas.
Grã irregular ou reversa: Esta grã é típica em madeira de árvores que apresentam �bras
orientadas em mais de um sentido. Geralmente, trata-se de uma característica genética,
própria da espécie, sendo muito comum em espécies tropicais.
Grã irregular também pode ser causada pelo crescimento irregular ou muito rápido da madeira,
pela existência de um tecido de cicatrização no fuste etc. Este tipo de defeito é responsável
pela variação do ângulo das �bras, pela alta dilatação e desenvolvimento de tensões internas
da madeira, tendo como consequência baixas propriedades de resistência.
As tensões internas existentes no fuste de uma árvore são consideradas muito problemáticas,
pois uma vez que este seja cortado, elas são liberadas e normalmente rompem as �bras ao
longo dos raios, causando rachaduras, empenamentos etc., e consideráveis prejuízos às
propriedades de resistência da madeira (BOM, 2011).
Figura 13 – Nós em peças de madeira. Fonte: Calil et al (2003)
Figura 14 – Diversos tipos de defeitos possíveis na madeira: (a) presença de alburno (tecido morto); (b) presença de
medula; (c) faixas de parênquima. Fonte: Manieri (1983) apud Calil et al (2003).
Defeitos Oriundos do Bene�ciamento
O bene�ciamento das madeiras também pode causar-lhes algun s defeitos como o
empenamento, o arqueamento, a torção (ou torcimento), dentre outros.
A Figura abaixo ilustra esses defeitos:
Figura 15 – Diversos defeitos de secagem da madeira.
Para evitar estes efeitos, a velocidade de secagem deve ser controlada e a uniformidade na
aplicação do calor também, evitando que algumas partes sequem mais rápido que outras e
que a peça seque rapidamente, gerando tensões higroscópicas que podem empenar a peça.
ATIVIDADES
1 - Assinale a opção correta:
As madeiras são materiais naturais com grandes variações em suas propriedades e por isso, não é relevante a sua caracterização.
A madeira necessita de muita energia para crescer e por isso o seu uso é cada vez mais restrito em preferência de outros
materiais como o plástico.
A madeira, como um material isotrópico, possui propriedades semelhantes conforme a ação na peça estrutural.
Anisotropia signi�ca que a madeira apresenta diferentes propriedades consoantes à direção em que se consideram tais
propriedades.
Somente as direções tangencial e radial são importantes para o conhecimento das propriedades anisotrópicas da madeira.
Justi�cativa
2 - Segundo as propriedades mecânicas da madeira, podemos dizer que:
Somente são importantes aquelas que estão relacionadas às suas resistências.
Os mecanismos de ruptura das �bras longitudinais sujeitas tanto à tração quanto à compressão normais às �bras são os
mesmos, sendo a lignina um fator determinante em ambas as resistências.
A resistência à �exão da madeira, assim como no concreto, para seçõescom dimensões compatíveis às tensões e deformações
impostas, provoca um enrugamento na parte comprimida da madeira e um alongamento na parte tracionada, com uma linha
neutra entre essas duas partes, onde se possui um valor máximo de esforço cisalhante.
A ruptura das �bras longitudinais submetidas à tração paralela muitas das vezes ocorre com a instabilidade lateral das mesmas.
A ruptura de uma peça de madeira submetida à tração paralela às �bras é dúctil, pois esta peça deforma bastante antes de se
romper.
Justi�cativa
3 - Quanto às propriedades da madeira, assinale a opção INCORRETA:
A resistência das madeiras deve ser avaliada de acordo com a direção na qual a peça será mobilizada.
O módulo de elasticidade das madeiras varia em função da espécie, da direção considerada e da umidade da madeira.
A densidade é uma das propriedades mais importantes, pois é um bom parâmetro para a previsão da resistência da peça de
madeira.
A madeira possui uma ótima resistência ao fogo, dependendo das suas dimensões, pois a camada mais externa, carbonizada,
atua como uma proteção da camada mais interna.
Somente cupins e fungos podem degradar a madeira.
Justi�cativa
4 - Assinale a opção correta:
A resistência ao fogo da madeira independe das suas dimensões.
O manejo e a conservação das madeiras em obra devem ser avaliados com cautela para evitar uma secagem ou saturação
bruscas que podem ocasionar alguns defeitos.
O inchamento das madeiras é diretamente linear à umidade para qualquer nível de umidade.
A contração das madeiras por secagem natural (temperaturas menores que 100ºC) retira, além da água adsorvida por umidade, a
água presente nas estruturas celulares da madeira.
O arqueamento é um defeito intrínseco da madeira, o qual o engenheiro nada pode fazer para evitá-lo.
Justi�cativa
5 - Assinale a opção correta:
Defeitos na madeira podem ser classi�cados em função da sua origem, em defeitos intrínsecos e nucleares, onde os nós
formados in�uenciam a resistência da madeira.
No processamento da madeira deve-se atentar para que a peça de madeira não sofra o encanoamento. Uma vez livre deste
defeito, não há possibilidade de ocorrer outro.
Um nó vivo signi�ca que o nó ainda faz parte do tecido vivo da planta, não possuindo qualquer aderência com o fuste.
Nós depreciam a madeira e sua posição e concentração, no tronco da árvore, não interferem de maneira signi�cativa no valor
comercial daquele trecho.
Grãs irregulares podem ser causadas pelo rápido crescimento da árvore ou por um golpe na madeira, causando uma cicatrização.
É responsável pela variação do ângulo das �bras, pela alta dilatação e desenvolvimento de tensões internas da madeira, tendo
como consequência baixas resistências mecânicas.
Justi�cativa
Glossário
ISOTROPIA
Refere-se à condição que um material tem de manter as suas propriedades em função da direção considerada. Independentemente
da direção, as propriedades serão as mesmas.
ANISOTROPIA
Refere-se à condição que um material tem de apresentar mudanças nas suas propriedades em função da direção considerada.
FLAMBAGEM
Também conhecida como instabilidade lateral. Signi�ca que uma peça apresentou desempenho estrutural insatisfatório (por
critérios de resistência ou deformações/deslocamentos) por ter obtido uma deformação lateral após ser submetida a um esforço
axial. O fenômeno ocorre antes da ruptura da seção por resistência axial.
DÚCTIL
Refere-se à capacidade de um material apresentar deformações notáveis antes de romper. É adjetivo de ductilidade.
XILÓFAGOS
São organismos que degradam a madeira (do grego xylon, madeira e fagus, comer). Também chamado de lignívoro.