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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Câmara de Materiais e Processos Construtivos Aula 07 Disciplina: Materiais de Construção Civil I 1 MADEIRA como material de construção CONCEITO É um produto vegetal proveniente do lenho dos vegetais superiores: árvores e arbustos lenhosos. Trata-se de um material de origem orgânica e biodegradável. Pertencem ao ramo dos vegetais completos dotados de raízes, caule, folhas e flores. Reprodução: sementes. A madeira é um bio-polímero HISTÓRICO Um dos materiais mais antigos utilizados pelo homem. A madeira é o mais abundante material de construção civil. Como é um material natural e renovável, ainda continuará em evidência e sua importância tende a aumentar com a escassez de recursos não renováveis. APLICAÇÃO Indústria da Construção Civil: Cobertura; Cimbramento; Transposição de obstáculos; Armazenamento; Linhas de transmissão; Obras portuárias; Componentes para a edificação. Paredes pré-montadas prontas para serem transportadas por caminhão. Igreja – Kizhi (Rússia) – Patrimônio da Humanidade. PORQUE UTILIZAR A MADEIRA? Preconceito: • Insuficiente divulgação das informações tecnológicas já disponíveis acerca de seu comportamento sob as diferentes condições de serviços; • Falta de projetos específicos desenvolvidos por profissionais habilitados; • Disseminação de idéias errôneas: associação do uso da madeira à devastação de florestas. PORQUE UTILIZAR A MADEIRA? • Baixo impacto ambiental (crescimento, obtenção e reposição); • Seqüestrador de carbono; • Beleza arquitetônica; • Baixo custo (abundância); • Permite fáceis ligações e emendas; • Facilidade reutilização; Vantagens: PORQUE UTILIZAR A MADEIRA? • Baixa densidade (1/8 da densidade do aço); • Resistência tanto a esforços de compressão como de tração (pilar e viga - maior que a do concreto convencional); • Alta resiliência (não estilhaça quando golpeada); • Alta relação resistência/densidade; Vantagens: PORQUE UTILIZAR A MADEIRA? • Resistência a impactos; • Bom isolante térmico e acústico; • Baixa deformação quando submetida a altas temperaturas; • Potencial para diversificados usos; • Vida útil prolongada (preservação e manutenção); • Utilização no estado natural. Vantagens: PORQUE UTILIZAR A MADEIRA? Material A B C D E F G Concreto 2,4 1.920 20 20.000 96 8 8.333 Aço 7,8 234.000 250 210.000 936 32 26.923 Madeira – conífera 0,6 600 50 10.000 12 83 16.667 Madeira - dicotiledônea 0,9 630 75 15.000 8 83 16.667 A: densidade do material (g/m³); B: energia consumida na produção (MJ/m³); concreto = queima do óleo; aço = queima do carvão; madeira = energia solar. C: resistência (MPa); D: módulo de elaticidade (MPa); E: relação entre os valores da energia consumida na produção e da resistência (B/C); F: relação entre os valores da resistência e da densidade (C/A); G: relação entre os valores do módulo de elasticidade e da densidade (D/A). Folhosa conífera Dicotiledônia PORQUE UTILIZAR A MADEIRA? Desvantagens: • Material heterogêneo e anisótropo; • É bastante vulnerável aos agentes externos; • Material inflamável; • Variações dimensionais (umidade); • Formas e dimensões limitadas (alongada); • Deteriorização: quando em ambientes que favorecem o desenvolvimento de predadores; Combate a desvantagem: • Utilização de preservativos. A madeira não perde resistência sob altas temperaturas como acontece com o aço. IMPORTANTE!!! • Escolher espécies de origem legal e certificadas; • Checar o selo da entidade certificadora para ter a certeza de que a extração respeitou as leis ambientais e fiscais; • Procurar fornecedores idôneos. Exigir deles o selo verde e o documento de origem florestal; • A localização da edificação interfere na espécie a ser usada: avaliar o solo, índice pluviométrico da região, umidade relativa do ar e disponibilidade do fornecimento das peças na região. OBTENÇÃO DA MADEIRA FLORESTAS NATURAIS • Melhor qualidade da madeira; • Elevado custo (distância dos grandes centros). FLORESTAS INDUZIDAS • Reaproveitamento de áreas desmatadas; • Madeira passa a ser um tipo de lavoura; • Baixo custo; • Recomposição parcial do meio ambiente. A madeira resulta de um processo de crescimento de sobreposição de camadas. MACROESTRUTURA DA MADEIRA Casca Câmbio Alburno Cerne Medula CRESCIMENTO DAS ÁRVORES • Casca: protege a árvore contra agentes externos. Não é utilizada na construção civil. É eliminada no aproveitamento do lenho. Camada externa: formada por tecidos mortos. Camada interna: formada por tecido vivo, mole e úmido. • Câmbio: camada invisível a olho nu (entre a casca e o lenho). • Lenho: parte resistente das árvores. Compreende o cerne (formados por células mortas, que tem como função resistir aos esforços externos que solicitam a árvore) e o alburno (formado por células vivas, que além da função resistente é veículo da seiva bruta, das raízes às folhas). É a alteração do alburno que vai ampliando e formando o cerne. Cerne: maior peso, compacidade, dureza e durabilidade. Alburno: baixas propriedades mecânicas e durabilidade, quando comparado ao cerne. Melhor impregnação pelos materiais preservativos. • Medula: miolo central, mole, de tecido esponjoso e cor escura. Não possui resistência mecânica, nem durabilidade. • Raios medulares: ligam as diferentes camadas entre si e têm a função de transportar e armazenar a seiva. Inibidor da retração decorrente da variação de umidade. Cada camada de tecido lenhoso formada anualmente constitui um anel de crescimento com uma parte formada na primavera (tecido brando e células de paredes finas) e outra formada no verão (cor escura, células pequenas e tecido compacto). A contagem dos anéis permite, aproximadamente, a avaliação da idade da árvore. Formação de dois ou mais anéis na mesma estação: quando o desenvolvimento é interrompido pela seca ou pelo ataque de insetos. Nesse caso, formam-se os falsos anéis de crescimento. CLASSIFICAÇÃO DAS ÁRVORES Classificação conforme a germinação e crescimento: • Endógenas (monocoltiledôneas): germinação interna (processo de dentro para fora). Trata-se de Árvores tropicais (palmeiras, bambus, etc.). Há baixo interesse na produção de madeira para fins estruturais. • Exógenas (coníferas e frondosas): germinação externa (processo de fora para dentro). Ocorre a adição de novas camadas concêntricas de células (anéis de crescimento). Árvores para produção de madeiras. Coníferas: não produzem frutos. Típicas de regiões de clima frio. Frondosas (dicotiledôneas): produzem frutos. Típicas de regiões de clima quente (amazônica). Madeira de lei. CLASSIFICAÇÃO DAS MADEIRAS • Madeiras finas: empregadas em marcenarias e em construção (esquadrias, marcos, etc.). Ex: louro, açoita-cavalos, cedro, vinheira. Conforme as finalidades tecnológicas: • Madeiras duras ou de lei: empregadas em construção (suportes e vigas). Ex: angelim, angico, cabriúva, Ipê, Maçarandubra, jatobá. • Madeiras resinosas: empregadas quase que exclusivamente em construções temporárias ou protegidas de intemperismo. Ex: pinho. • Madeiras brandas: baixa durabilidade. Alta facilidade de trabalho.Não são usadas em construção. Ex: timbaúva. • Maçiça • Industralizada Classificação das madeiras de construção Madeiras Maciças • Madeira falquejada – Obtida de troncos por corte com machado. No falquejamento do tronco, as partes laterais cortadas constituem em perda. Possuem seção quadrada ou retangular, utilizada em postes de madeira, pontes, cortinas cravadas, estacas. Madeiras Maciças • Madeira bruta – É utilizada mais frequentemente em construções provisórias. Estas madeiras, que não passaram por um período longo de secagem, ficam sujeitas a retração transversal que provoca rachaduras nas extremidades. Para evitar rachaduras nas extremidades, recomenda-se revestir as seções de corte com alcatrão ou outro impermeabilizante. São usada em forma de troncos para postes, escoramentos e estacas. Maciças • Madeira serrada – mais utilizada. Os troncos são desdobrados nas serrarias em dimensões “padronizadas” para o comércio, passando depois por um período de secagem. As madeiras serradas são vendidas em seções padronizadas, com bitolas nominais em centímetros ou polegadas. As dimensões mínimas estão especificadas na norma brasileira NBR 7190. Madeiras Industrializadas • Madeira laminada e colada – A madeira laminada e colada é um produto estrutural, formado pela associação de lâminas de madeira selecionada, coladas com adesivos (a prova de água) e sob pressão. A espessuras das lâminas variam de 1,5 a 5 cm. As lâminas podem ser emendadas com cola nas extremidades, formando peças de grande comprimento. Largamente usada na Europa. Principais vantagens em relação as madeiras maciças: Podem ser fabricadas em folhas grandes, com defeitos limitados; Apresentam menor retração e inchamento; São mais resistentes; Apresentam menos trincas na cravação de pregos. Industrializadas • Madeira compensada – É formada pela colagem de três ou mais lâminas, alternando-se as direções das fibras em ângulo reto. Os compensados podem ter três, cinco ou mais lâminas, sempre em número impar. As lâminas são coladas com as fibras em sentido alternado. Principais vantagens em relação a madeira maciça: É mais homogênea, pois os nós são partidos e distribuídos mais aleatoriamente; Permite a confecção de peças de grandes dimensões; Permite melhor controle de umidade das lâminas, reduzindo defeitos provenientes de secagem irregular; Permite a construção de peças de eixo curvo. Industrializadas • Madeira reconstituída – as fibras são unidas por pressão com ou sem adição de ligante. Estes produtos são fabricados com resíduos de madeira serrada e compensada convertidos em flocos e partículas colados sob pressão. Em geral não são considerados materiais estruturais devido a pouca resistência e durabilidade, porém são muito utilizados na indústria de móveis. • Madeira aglomerada – formada por lâminas impregnadas de material ligante. Sem fim estrutural. • Madeira anidra: com 0% de umidade. A evaporação da água diminui a densidade da madeira, o que acaba por reduzir o custo de seu transporte. Classificação conforme o teor de umidade: • Madeira verde: acima do ponto de saturação, mais de 30%; •Madeira semi-seca: abaixo do ponto de saturação, porém com h ≥ 23%; • Madeira comercialmente seca: 18% ≤ h < 23%; • Madeira seca ao ar: 12% ≤ h < 18%; • Madeira dessecada: 0% < h < 12%; MICROESTRUTURA DA MADEIRA A madeira apresenta uma microestrutura celular. CONÍFERA – Madeira mole Dicotiledônea – Madeira dura COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA Lignina: material aglomerante que liga as células umas às outras. Celulose: estrutura de sustentação das paredes celulares. Os dois componentes são responsáveis por todas as propriedades da madeira. • Celulose: 60% • Lignina: 25% • Outras substâncias: 15% Outras substâncias: óleos, resinas, açúcares, amidos, substâncias nitrogenadas, sais orgânicos e ácidos orgânicos. Polímero natural composto por: PRODUÇÃO DA MADEIRA • Corte: preferencialmente, realizado no inverno. A época não influi sobre a resistência mecânica, mas tem grande influência sobre a durabilidade (a madeira cortada no inverno seca mais lentamente). A secagem evita o surgimento de fendas e rachaduras, evitando expor a madeira ao ataque de fungos e insetos. Ferramentas: machado de lenhador; traçador (serra manual); máquina de derrubar; cunhas; alavancas; etc. • Toragem: após o corte e desgalho da árvore, a mesma deve ser traçada em toras de 5 a 6 metros para facilitar o transporte. Nesse momento as árvores podem ser descascadas e descortiçadas. Cortiça PRODUÇÃO DA MADEIRA • Falquejo: cada tora fica com uma seção quadrada ou retangular pela remoção de 4 costaneiras. PRODUÇÃO DA MADEIRA • Desdobro: operação final na obtenção de madeira bruta. É realizada nas serrarias com serras-fitas contínuas ou com serras alternativas que podem ter a lâmina horizontal, vertical e várias lâminas paralelas. Obtenção: pranchões ou pranchas. • Aparelhamento ou bitolagem: obtenção das peças em bitolas comerciais. PROPRIEDADES DA MADEIRA A madeira é um material não homogêneo com muitas variações. Existem diversas espécies com diferentes propriedades. Diante disso, se faz necessário o conhecimento de todas as características para um melhor aproveitamento do material. ENSAIOS NORMATIZADOS DA MADEIRA A NBR 7190/1997 – Projeto de estruturas de madeira apresenta os procedimentos para caracterização das madeiras. • Umidade; • Densidade; • Estabilidade dimensional; • Compressão paralela às fibras; • Tração paralela às fibras; • Compressão normal às fibras; • Tração normal às fibras; • Cisalhamento; •Fendilhamento; • Flexão; • Dureza; • Resistência ao impacto na flexão; • Embutimento; • Cisalhamento na lâmina de cola; • Tração normal à lâmina de cola; • Resistência das emendas dentadas e biseladas. • Caracterização completa da resistência da madeira: compressão paralela às fibras, tração paralela às fibras, compressão normal às fibras, tração normal às fibras, cisalhamento, embutimento e densidade. • Caracterização mínima da resistência: compressão paralela às fibras, tração paralela às fibras, cisalhamento e densidade. • Caracterização simplificada da resistência da madeira serrada: permite-se a caracterização simplificada das resistências da madeira de espécies usuais a partir dos ensaios de compressão paralela às fibras. Caracterização das propriedades das madeiras Extração das amostras para ensaios O número mínimo de corpos-de-prova deve atender aos objetivos da caracterização: a) caracterização simplificada: seis corpos-de-prova; b) caracterização mínima da resistência de espécies pouco conhecidas: 12 corpos-de-prova. Lotes de madeira serrada considerados homogêneos: cada lote não deve ter volume superior a 12 m³. PRINCIPAIS PROPRIEDADES FÍSICAS DA MADEIRA • Heterogeneidade; • Anisotropia; • Umidade; • Retratilidade; • Porosidade; • Dureza; • Textura, cor, brilho e odor; • Densidade; • Condutibilidade elétrica; • Condutibilidade térmica; • Condutibilidade sonora; • Resistência ao fogo; • Durabilidade. Heterogeneidade Resume-se ao fato do mesmo tipo de árvore apresentar tecidos celulares diferentes. Exemplo: os tecidos de anéis de crescimento na estação da primavera são diferentes dos tecidos da estação do outono. A variabilidade e a heterogeneidadeproporcionam diferente dureza, densidade, cor, etc. Anisotropia Esta característica identifica-se com o fato de a madeira ser diferente do ponto de vista da direção ou do sentido em que cresceu na árvore, ou seja, as suas propriedades são diferentes para cada uma das três dimensões (tangencial, longitudinal e radial). As propriedades mecânicas dependem da disposição das fibras. A madeira se expande ou retrai de forma diferente às variações de umidade no ambiente, consoante sejam considerados os sentidos relativos de suas fibras. No sentido longitudinal ao eixo de uma tora, por exemplo, a variação é mínima (0,1%); no sentido tangencial, é máxima (até 10%), e no sentido radial, cerca de 5%. Umidade Influencia nas propriedades mecânicas, assim como na massa específica aparente. U = (mu – ms)/ms x 100 U(%) = teor de umidade mu = massa úmida ms = massa seca (103°C em estufa) As madeiras utilizadas nas edificações devem possuir teor de umidade máximo de 12%. • Água de constituição: não pode ser eliminada nem na secagem, sendo portanto impossível a sua retirada. Quando a madeira contém apenas essa água se diz que a madeira está completamente seca. Retirada com a queima. • Água de impregnação: aparece entre as fibras e a célula lenhosa. Está água provoca um inchamento na madeira, alterando todo o comportamento físico e mecânico do material. Quando esta água impregna toda a madeira sem escorrimento se diz que a madeira atingiu o teor de umidade de saturação ao ar. • Água livre: quando está nos vazios capilares não provoca variação de volume. A água na madeira: Água livre Água de impregnação • A secagem da madeira é uma técnica que visa a redução do seu teor de umidade, objetivando levá-la até um determinado ponto, com um mínimo de defeitos e no menor tempo possível. • Para tanto deve valer-se de uma técnica que seja economicamente viável, tendo-se em mente o fim para o qual a peça da madeira se destina. SECAGEM DA MADEIRA • Diminui a retração e deformação da madeira; • Aumenta sua resistência ao apodrecimento; • Diminui a atração aos insetos xilófagos; • Melhora as qualidades mecânicas da madeira; • Reduz seu peso e torna a madeira mais apta a receber tratamentos imunizantes. Secagem natural • Na secagem natural (ao ar) às tábuas perdem 50% da umidade por volta de 20 dias; • O restante é eliminado num tempo 3 a 5 vezes maior. Secagem em artificial • Realizada sob condições controladas de umidade relativa (UR) e temperatura (T); • Para que não haja defeitos torna-se necessário injetar vapor livre na estufa para elevação do grau higrométrico, não permitindo uma velocidade excessiva de evaporação. • Redução da movimentação dimensional; • Possibilidade de melhor desempenho de acabamentos na superfície das peças; • Redução da probabilidade de ataque de fungos; • Aumento da eficácia da impregnação da madeira contra a demanda biológica; • Aumento dos valores correspondentes à propriedades de resistência e de elasticidade. Necessidades da prévia secagem das madeiras: Retratilidade Contração da madeira; Inchamento da madeira; Trabalho da madeira. Caracterizada pelas propriedades de retração e de inchamento. A madeira tem maior retratibilidade na direção tangencial, seguida pela radial e axial. Diretamente relacionada à presença da água no interior da madeira. Ocorrência de alterações de volumes e dimensões. Porosidade Traduz o fato de a madeira ser um material que deixa passar determinados elementos de caráter fluido através da sua superfície e saliências. O cerne é menos poroso do que o alburno. Propriedades presentes nas madeiras... Dureza Resistência que a madeira opõe a penetração por outro corpo. Não deve ser confundida com resistência à compreensão, ao choque, etc. Quanto mais velha, maior será a dureza; a madeira do cerne é mais dura que a do alburno. Textura, cor, brilho e odor •Textura: é variável e encontra-se intimamente ligada com a distribuição dos tecidos e das células que a compõem. •Cor: é variável de espécie para espécie de árvore. O cerne é mais escuro que o alburno. As cores vão desde branca, amarela, avermelhada, marrom escuro e quase preta. •Brilho: depende da intensidade dos raios medulares. •Odor: algo que provém das seivas. Densidade ρ = m / V ρ = densidade m = massa contida na amostra V = volume descontados os vazios As madeiras mais duráveis são as que possuem maior densidade. As madeiras de peso mais leve retém mais água que as madeiras mais pesadas. Densidade aparente: É umidade padrão de referência calculada para unidade a 12%. Condutibilidade elétrica • Refere-se ao fato de a madeira constituir um material que permite, em determinados casos, efetuar um isolamento; • Quando bem seca é excelente isolante elétrico. Quando úmida se torna condutora; • Varia com as espécies; • A sua eficácia como isolante é maior se a madeira for pintada e/ou envernizada. Condutibilidade térmica Devido a organização estrutural do tecido, que retém pequenos volumes de ar em seu interior, a madeira impede a transmissão de ondas de calor ou frio, tornando-se, assim, um mau condutor térmico (baixa condutividade térmica), isolando calor ou frio. Mau condutor independente da espécie. Condutibilidade sonora A madeira não é bom isolante acústico. Porém, quando usado em tratamento acústico funciona bastante bem por terem boa capacidade de absorção dos sons. A propagação de ondas sonoras é reduzida ao entrar em choque com superfícies de madeira. O procedimento de empregar madeira como revestimento de paredes enfraquece a reverberação sonora e melhora a distribuição das ondas pelo ambiente, tornando-a um produto adequado para o condicionamento acústico. Resistência ao fogo A madeira oferece uma excelente resistência ao fogo. Principais razões: Má condutividade térmica; Teor de água presente na estrutura; Formação de crosta carbonizada, criando rapidamente uma camada isolante que freia a combustão até impedi-la. Sendo a madeira um mal condutor de calor, a temperatura interna cresce mais lentamente, não provocando maior comprometimento da região central das peças que, desta maneira, podem manter-se em serviço, nas condições que o aço, por exemplo, já teria entrado em colapso (escoamento), mesmo não sendo inflamável. A madeira transmite 1/10 do calor transmitido pelo concreto e 1/250 do aço. A madeira não libera gases nocivos quando da queima (a não ser as tratadas em autoclave*). * cilindro que suporta pressão, onde a madeira é introduzida e em seguida os produtos químicos preservantes são injetados. Madeira submetida ao fogo Devido a organização estrutural do tecido, que retém pequenos volumes de ar em seu interior, a madeira impede a transmissão de ondas de calor ou frio, tornando-se, assim, um mau condutor térmico (baixa condutividade térmica), isolando calor ou frio. As madeiras duras (alta massa especifica) queimam melhor, porque possuem maior quantidade de matéria lenhosa pôr volume. Durabilidade É a propriedade que possui a madeira de resistir, num grau maior ou menor, aos ataques dos organismos destruidores, tais como insetos, bolor, etc. Esta qualidade sobe de importância quando o emprego da madeira se faz num meio úmido, sem que se possa proteger ou abrigar. Exemplo: pilares de madeira. JATOBÁ PAU-MARFIMDENSIDADE: madeira altamente densa, com 13% de umidade tem 795 kg/m³, verde tem 1.015 kg/m³ seca rapidamente ao forno ou ao ar livre. DENSIDADE: madeira altamente densa, com 13% de umidade tem 921 kg/m³, verde tem 1.275 kg/m³, seca rapidamente ao forno ou ao ar livre. TI POS DE MADEIRAS DENSIDADE: madeira de densidade média, com 13% de umidade tem 785 kg/m³, verde tem 1.210 kg/m³, seca muito rapidamente. ANGELIM-PEDRA CEDRO DENSIDADE: madeira de densidade média, com 13% de umidade tem 485 kg/m³, verde tem 635 kg/m³, fácil de secar, seca rapidamente ao forno ou ao ar livre. IPÊ SUCUPIRA DENSIDADE: madeira altamente densa, com 13% de umidade tem 1.103 kg/m³, verde tem 1.315 kg/m³, seca rapidamente ao forno ou ao ar livre. DENSIDADE: madeira altamente densa, com 13% de umidade tem 1.101 kg/m³, verde tem 1.310 kg/m³, seca rapidamente ao forno, mas com muita dificuldade ao ar livre.
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