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1 Engenharia Civil - Bacharelado Materiais de Construção Civil II – Turma P04 Camila Teixeira Silva Dagny Más Eduardo Oliveira Menezes Jaqueline Godoy Takazono Marcos Mota Medalha Junior Silvia Midori Godoy Urasaki Ensaio de Tração da Madeira Paralela às Fibras Campo Grande - MS Julio F Máquina de escrever Ótimo trabalho! 10,0 2 Grupo: Vermelho Camila Teixeira Silva RGA: 20132111067-7 Dagny Más RGA: 20122102091-9 Eduardo Oliveira Menezes RGA: 20132111080-4 Jaqueline Godoy Takazono RGA: 20132111061-8 Marcos Mota Medalha Junior RGA: 20132102216-6 Silvia Midori Godoy Urasaki RGA: 20132111086-3 Profº. Júlio Alberto Peres Ferencz Junior Campo Grande - MS / 1º Semestre - 2016 3 Resumo A madeira é um dos materiais mais versáteis utilizados pelo homem na construção civil, devido às suas inúmeras qualidades tais como: elevada resistência mecânica, baixa massa específica, boa elasticidade, baixo custo além de ser um material natural de fácil obtenção e renovável. No entanto, é necessária muita cautela ao usar a madeira, pois não é um material que segue uma linha exata quanto aos seus comportamentos mecânicos. Trata-se de uma propriedade chamada de anisotropia, ou seja, todas as propriedades da madeira dependem da forma como estão relacionadas às direções de suas fibras. Ademais, são infinitos os fatores que fazem da madeira um material vulnerável à significativas alterações. Alguns deles são: solo, temperatura, agentes biológicos, poluição ambiental e até mesmo ação do vento. O ensaio de tração objetivou-se analisar as propriedades mecânicas da madeira, tendo como base a NBR 7190/1997. Tal ensaio consiste na aplicação de carga de tração uniaxial na madeira até que a mesma rompa. Foi feito o mesmo procedimento para a madeira seca, isto é, após passar aproximadamente 72 horas na estufa e para a madeira saturada (que passou aproximadamente 72 horas na câmara úmida). Este ensaio é muito utilizado na indústria pois é capaz de fornecer dados quantitativos relacionados às características mecânicas do material em estudo. A espécie utilizada foi angelim. Julio F Máquina de escrever Faltou aqui no resumo a conclusão. 4 Índice 1. Introdução 5 2. Materiais e Metodologia 13 3. Discussão de Resultados 15 4. Conclusão 19 5. Referências 20 5 1. Introdução A madeira é um dos materiais de construção mais antigos conhecidos pelo homem, principalmente devido a sua abundancia na natureza e sua facilidade de utilização, sendo um material leve, versátil e resistente. Por ser um material orgânico, a madeira possui características diferentes de árvore para árvore, dependendo de inúmeras variáveis como solo de plantio, temperatura, umidade, insolação, incidência de ventos, proximidade a outras árvores, entre outros, de forma a haver variação na resistência, densidade e aparência da madeira de um mesmo lote e possibilidade de surgirem falhas durante o crescimento destas. Segundo o wood handbook [1], “a natureza fibrosa da madeira influencia fortemente em seu uso. A madeira é primariamente composta de células ocas, alongadas, em forma de fuso que são dispostos paralelamente uns aos outros ao longo do tronco de uma árvore. Quando madeira e outros produtos são cortados a partir da árvore, as características destas células fibrosas e a sua disposição afetam propriedades tais como a resistência e a contração, bem como o padrão granular da madeira”. 1.1. Estrutura de crescimento das árvores O crescimento da árvore se dá verticalmente, entretanto, esta engrossa ao longo dos anos devido ao crescimento das camadas periféricas próximas ao câmbio, denominadas anéis de crescimento, que variam de espessura de acordo com a época do ano - secas ou úmidas- e transportam água ou seiva em suas camadas mais externas, ou armazenam nutrientes em suas parcelas mais internas, próximas ao cerne. Esta parcela viva da planta é denominada alburno, possui espessura variável de acordo com a espécie e é descartada, pois é menos resistente que sua parcela morta, denominada cerne, composta por conjuntos mortos de células endurecidas já desprovidas de suas funções de transporte. Figura 1 – Divisão de parcelas do tronco. 6 1.1.1. Defeitos na madeira Durante o crescimento da árvore, podem ocorrer falhas que alterem sua estrutura principal, como o aparecimento de nós, gretas, bolsas de resina, tecido de cicatrização, bifurcações, irregularidades nos anéis ou grãs e tortuosidade. ● Nós: provenientes da presença de galhos antes do corte da peça, que desviam as fibras da madeira de sua posição axial, diminuindo a resistência à tração. ● Gretas: falhas no interior da peça causadas por tensões internas, devido ao crescimento irregular da árvore. ● Bolsas de resina: pequenas bolsas planas cheias de resina que aparecem no cerne e desviam as fibras da madeira. ● Tecido de cicatrização: região onde a árvore sofreu ferimento e o câmbio desenvolve-se de maneira calosa, desenvolve tendência a deformações e torceduras. ● Bifurcações: presença de duas ou mais gemas apicais, causando crescimento em diferentes direções, causa desperdício de toras. ● Irregularidades nos anéis: irregularidade de largura e possível variação de densidade e dureza dos anéis, causadas por variações bruscas nas condições climáticas. ● Irregularidade nas grãs: crescimento irregular dos elementos celulares em relação ao eixo do tronco, podendo estes ter padrão espiralado ou ondulado, compromete a resistência mecânica e pode causar deformações de secagem. ● Tortuosidade: troncos tortos, que diminuem o aproveitamento da tora e possuem grãs irregulares, causada por diversos fatores como fototropismo, acidez do solo, inclinação do terreno, ações de ventos fortes, entre outros. Os defeitos na madeira também podem ser causados durante seu corte, secagem ou manuseio em obra. ● Defeitos de secagem: aparecimento de fendas e rachaduras devido à secagem irregular, quando a superfície seca mais rápido e o interior mantém o teor de umidade elevado; empenamento, quando há distorção da peça em relação a seu eixo plano. 1.2. Propriedades físicas ● Umidade: A umidade da madeira é dividida em três categorias: água constituição, água de impregnação e água livre. A água de constituição é aquela quimicamente ligada as moléculas de celulose e 7 hemicelulose e não pode ser eliminada por secagem. A água de impregnação é a contida nas células por ligações mais fracas e podem ser eliminadas através da secagem, altera o volume da peça quando eliminada e aumenta sua resistência. A água livre é a água de capilaridade, que não está ligada quimicamente a madeira e cuja retirada não influencia nas mudanças de dimensões e resistência da peça. A água livre tende a ser liberada logo após o corte da árvore, a partir daí, a água de impregnação é perdida lentamente até que a madeira possuao mesmo teor de umidade que o ambiente. Quando toda a água livre é eliminada, é atingido o ponto de saturação das fibras, toda perda de água sofrida a partir deste ponto interfere nas propriedades mecânicas da madeira. Abaixo de 23% de umidade, a madeira é considerada fora de perigo de ataque de fungos e bactérias. Na construção civil, a madeira é considerada seca quando possui teor de umidade entre 12% e 15%. O cálculo do teor de umidade se dá através da fórmula: ℎ = 100 ∗ 𝑀ℎ − 𝑀𝑜 𝑀𝑜 Sendo Mh a massa da peça com umidade natural e Mo a massa da peça seca em estufa. ● Retratibilidade É a variação volumétrica sofrida pela peça ao perder água de impregnação durante a secagem em estufa. Ocorre em porcentagens diferentes para cada direção da peça devido a heterogeneidade da madeira, porém o cálculo é feito considerando o volume da peça antes e depois da secagem, de acordo com as fórmulas: 𝐶𝑡 = 𝑉𝑣 − 𝑉𝑜 𝑉𝑣 ∗ 100 𝐶𝑝 = 𝑉ℎ − 𝑉𝑜 𝑉ℎ ∗ 100 Sendo Ct a retratibilidade total, em função de Vv, o volume da madeira verde e V0, o volume da madeira seca em estufa; e Cp a retratibilidade parcial, em função de Vh, o volume de madeira seca ao ar e Vo. Pode-se calcular também, através da fórmula a seguir, o coeficiente de retração volumétrica, de acordo com a variação de 1% em sua umidade. 𝜗 = 𝐶ℎ ℎ 8 ● Densidade É o peso dividido pelo volume aparente. A densidade varia não só de árvore para árvore, como também de peça para peça de madeira, dependendo diretamente das condições de crescimento. Ela contribui para a classificação da madeira, as mais densas costumam ser mais resistentes, elásticas e duras, e também mais difíceis de trabalhar. Para sua determinação, é realizado o cálculo com a umidade fixa de 15% em todas as amostras. Seu cálculo é realizado através da fórmula: 𝐷ℎ = 𝑀ℎ 𝑉ℎ Sendo Mh o peso da amostra úmida e Vh o volume aparente da amostra úmida. Para obtenção mais precisa da densidade, é realizado o cálculo utilizando um fator de correção: 𝑑 = 𝐷ℎ ∗ 1 − 𝑣 100 De modo a densidade aos 15% de umidade ser: 𝐷15 = 𝐷ℎ ∗ [1 − (1 − 𝑣)(ℎ − 15) 100 ] ● Condutibilidade térmica É a capacidade do material de transferir calor quando submetido a um gradiente de temperatura. Devido a sua estrutura porosa, a madeira é um bom isolante térmico, pois seu coeficiente de condutibilidade térmica é baixo. É também uma propriedade que varia de acordo com a direção das fibras, sendo que na direção longitudinal este coeficiente é de 5 a 10% maior do que no sentido transversal. O coeficiente de condutibilidade térmica é calculado através da fórmula: 𝐾 = 𝐻𝐿 𝑡𝐴∆𝑇 Sendo H a quantidade de calor transmitida, L o comprimento da peça, t o tempo, a área da peça e ΔT a diferença de temperatura entre o lado quente e o lado frio da peça. ● Condutibilidade acústica A madeira possui como propriedade a reflexão das ondas sonoras, sendo assim um ótimo material para tratamento acústico, quando é necessário que o som propague pelo ar, como em instrumentos musicais, teatros, estúdios e afins. Entretanto, a madeira é ruim para o isolamento acústico, devido a propagação de ondas no material, necessitando de várias camadas deste para isolamento ou a utilização 9 de um segundo material, isolante, entre as placas de madeira para obter o efeito desejado. 1.3. Propriedades mecânicas A madeira é um material anisotrópico, ou seja, não possuem valor igual para suas propriedades em todas as direções, de forma que suas propriedades mecânicas se dividem em dois grupos, as principais e as secundárias, sendo o primeiro grupo relacionado ao sentido axial das fibras: sua compressão, tração e flexão; e o segundo grupo, relacionado ao sentido transversal as fibras: compressão e tração normal às fibras, torção, cisalhamento e fendilhamento. 1.3.1. Propriedades mecânicas principais Em geral, quando solicitada por esforços paralelos à direção das fibras, a madeira se mostra mais resistente devido à densidade e continuidade de suas fibras. A NBR7190 denomina como direção 0° a direção paralela à fibra. Tanto para os cálculos relacionados ao ensaio de compressão, quanto para os cálculos relacionados ao ensaio de tração, ambos paralelos às fibras, são válidas as mesmas fórmulas a seguir: ● Resistência máxima: 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐴 ● Resistência no Limite de Proporcionalidade: 𝜎𝐿𝑝 = 𝑃𝐿𝑃 𝐴 ● Módulo de elasticidade: 𝐸 = 𝑃𝐿𝑃∗𝐿 𝐴∗𝑑𝐿𝑃 Sendo 𝑃𝑚𝑎𝑥 a carga aplicada no momento de ruptura, A a área da seção transversal, 𝑃𝐿𝑃 a carga aplicada no momento em que o Limite de Proporcionalidade é atingido, L o comprimento do vão do teste e 𝑑𝐿𝑃 a deformação da madeira no Limite de Proporcionalidade. Figura 2 – Compressão e tração na direção 0°. Na flexão, apesar de a carga ser aplicada perpendicular as fibras, os esforços internos são paralelos a esta, apresentando tanto esforços de tração quanto esforços de compressão, além de cisalhamento horizontal. A madeira possui ótima resistência à flexão e a distribuição das tensões dentro do corpo de prova é variável durante o ensaio de flexão, alterando-se de acordo com as 10 deformações apresentadas. Os cálculos relacionados ao ensaio são correspondentes às fórmulas a seguir: ● Resistência máxima a flexão: 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 3∗𝑃𝑚𝑎𝑥∗𝐿 2∗𝑏∗ℎ2 ● Resistência no Limite de Proporcionalidade: 𝜎𝐿𝑃 = 3∗𝑃𝐿𝑃∗𝐿 2∗𝑏∗ℎ2 ● Módulo de elasticidade: 𝐸𝑓 = 𝑃𝐿𝑃∗𝐿 4∗𝑑𝐿𝑃∗𝑏∗ℎ3 Sendo 𝑃𝑚𝑎𝑥 a carga aplicada no momento de ruptura, L a distancia entre apoios, b a largura do corpo de prova, h a espessura do corpo de prova, 𝑃𝐿𝑃 a carga aplicada no momento em que o Limite de Proporcionalidade é atingido e 𝑑𝐿𝑃 a deformação observada quando o Limite de Proporcionalidade é atingido. Figura 3 – Flexão na madeira e esforços internos gerados. 1.3.2. Propriedades mecânicas secundárias Solicitações em direção perpendicular as fibras são chamadas, pela NBR7190, de direção 90°. Ao ser comprimida ou tracionada perpendicularmente a direção das fibras, a madeira apresenta menor resistência, as mesmas fórmulas apresentadas no tópico anterior são válidas para estes casos de solicitações. Figura 4 – Compressão e tração na direção 90°. A torção da madeira depende de seu módulo de rigidez e sua resistência é dificilmente calculada e matéria de discussão, por ter resultados duvidosos devido a sua anisotropia. A resistência à torção é calculada dependendo de em torno de em qual eixo será realizada. As fórmulas para cálculos são: 11 ● Módulo de rigidez: 𝐺 = 𝐸 17 ● Resistência à torção: 𝜎𝑡𝑏 = 𝑘∗𝑀𝑡 𝑎3 Sendo E o módulo de elasticidade, k a constante relacionada ao eixo no qual é aplicada a torção, 𝑀𝑡 o momento de tração aplicado e a o comprimento de aresta da seção transversal. Figura 5 – Possíveis casos de torção em madeiras de seção transversal quadradas. O cisalhamento consiste de esforços internos, contrários um ao outro, que causam deslizamento das fibras. Entretanto, o ensaio de cisalhamento da madeira é complicado por haver superposição de tensões, principalmente relacionadas à flexão. A resistência ao cisalhamento é relacionada a densidade da peça e as propriedades de torção, sendo sempre menores que esta. O cálculo é realizado através da fórmula: ● Resistência ao cisalhamento: 𝜎𝑐 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐴 Sendo 𝑃𝑚𝑎𝑥 a carga máxima resistida pela madeira e A a área sujeita ao esforço aplicado. Figura 6 – Corpode provas para o ensaio de resistência ao cisalhamento, a área hachurada sendo a área sujeita ao esforço aplicado. 12 O fendilhamento é a capacidade da madeira que contém ranhura em, quando aplicada uma força para separá-la, resistir à rachadura, de modo que o ensaio realizado é o mesmo anteriormente citado da resistência à tração na direção perpendicular as fibras (90°). 1.4. Norma brasileira para ensaios A norma brasileira que regulamenta os ensaios mecânicos relacionados com a madeira é a ABNT-NBR7190: 1997, ela engloba todo o processo do projeto de estruturas de madeira, apresentando as hipóteses básicas de segurança, as classes de carregamento e diferentes durabilidades das ações, bem como apresenta os valores de cálculos para estas. A norma apresenta também as propriedades da madeira a ser consideradas em projeto e a maneira correta de se realizar ensaio para aferi-las. 1.5 Importância dos ensaios mecânicos Apesar de cada amostra de madeira possuir comportamento variável devido a possibilidade de defeitos, a posição e direção de suas fibras e espessura de seus anéis de crescimento, os ensaios mecânicos são de suma importância para ter um parâmetro geral de comparação de qualidade para o material, estabelecendo um valor médio esperado para as propriedades mecânicas do material sob determinadas condições de umidade e temperatura. 2. Materiais e Métodos O presente relatório e experimento foram realizados com base na NBR7190/1997 [2]. 2.1. Materiais Os materiais utilizados para a realização do ensaio de tração foram: Prensa Universal, 2 corpos de prova de medidas recomendadas na NBR 7190, balança com precisão de 0,01g, Paquímetro com precisão 0,05mm, Régua com precisão de 1mm, computador com programa WinWaw – Versão STS 2011. Julio F Máquina de escrever Boa! 13 Figura 7- Dimensões exigidas por [2] 2.2. Metodologia Foram obtidas 2 peças de madeira da Serralheria do Rubens, já lapidadas pelo marceneiro do local nas medidas exigidas pela norma. A preparação das amostras ocorreu 72 horas antes do início do ensaio, fazendo- se suas respectivas medições de peso e dimensões. Em seguida colocou-se uma na estufa e outra na câmara úmida. No dia do ensaio mediu-se novamente seus pesos e dimensões, com o intuito de observar-se o comportamento de ambas em relação à umidade. Tais mensurações tiveram precisão de 0,01g na balança, 0,05mm no paquímetro e 1mm na régua. Em seguida, acoplou-se a amostra seca à prensa universal, tomando o cuidado de se observar se a peça estava paralela à tração da prensa, iniciando-se o programa WinWaw com velocidade constante de 2mm/min, aumentando gradativamente a força aplicada, até a ruptura da amostra. 14 FIGURA 8: Prensa universal realizando tração da madeira seca – LMCC, UFMS. Foi fornecido pelo programa uma planilha em formato txt. Com o tempo, deslocamento e força aplicada, que foi anexada ao relatório em forma de gráfico Tensão x Deformação. O mesmo procedimento foi repetido para a amostra úmida. 3. Resultados e Discussão 3.1. Dimensões dos Corpos de prova Figura 9 – Legenda dimensões do corpo de prova 15 Tabela 1: dados iniciais (amostra estufa) 1-9 em mm com erro de ±0,025mm e massa com ±0,005g . Tabela 2: dados após o tratamento (amostra estufa) 1-9 em mm com erro de ±0,025mm e massa com ±0,005g Tabela 3: dados iniciais (amostra úmida) 1-9 em mm com erro de ±0,025mm e massa com ±0,005g Julio F Máquina de escrever Julio F Máquina de escrever Este não é o erro do paquímetro Julio F Máquina de escrever Julio F Máquina de escrever 16 Tabela 4: dados após o tratamento (amostra úmida) 1-9 em mm com erro de ±0,025mm e massa com ±0,005g Na direção de (1) e (2) das tabelas (1) e (2) todas as amostras apresentaram contração D.T.E, sendo que a amostra do grupo vermelho apresentou defeito de torcimento. 3.2. Cálculo de umidade das peças tratadas 3.2.1. Peça 1 (levada à estufa) – Grupo Vermelho ℎ(%) = (𝑀ℎ − 𝑀𝑠) 𝑀𝑠 = (205,65 − 185,18) × 100% 185,18 = 11,05% Teor de umidade (h) igual à 11,05%. 3.3. Cálculo das densidades 3.3.1. Peça 1 – Grupo Vermelho - Densidade antes do tratamento 17 Volume das extremidades da peça (V11 e V12) - considerando-as peças prismáticas: 𝑉11 = 130,46 𝑐𝑚 3 𝑉12 = 133,67𝑐𝑚 3 Volume da parte central da peça (V13) - considerando-a uma peça prismática 𝑉13 = 94,53𝑐𝑚 3 Densidade 𝑑𝑎.𝑡.1 = 205,65 (130,46 + 133,67 + 94,53) = 0,57 𝑔 𝑐𝑚 3⁄ Tabela 5: Tabela de índices físicos das amostras de cada grupo. *A.T.E. – antes do tratamento em estufa; D.T.E. - depois do tratamento em estufa; A.T.C.U.- antes de tratamento em câmara úmida; D.T.C.U.- depois de tratamento em câmara úmida. Os grupos Roxo, Verde e Rosa apresentaram expansão do volume em comparação ao volume A.T.C.U, sendo que os grupos Vermelho, Preto, Cinza e Amarelo apresentaram contração. Todos grupos apresentaram expansão na direção radial (1) das tabelas (3) e (4) D.T.C.U 18 Figura 10- Corpos de prova grupos rosa, verde, amarelo e preto após o ensaio de tração. Figura 11: Gráfico Tensão X Deformação dos Grupos - Amostras de Madeira Seca Tracionadas 19 Figura 12: Gráfico Tensão X Deformação dos Grupos - Amostras de Madeira Verde Tracionadas Após o tratamento de secagem da peça 1 do grupo vermelho realizou-se o ensaio de tração obtendo o valor de tensão máxima de 42,67 MPa sendo que a peça 2, após tratamento de deposição de umidade, obteve tensão máxima de 61,84 Mpa, divergindo-se do valor esperado. Essa discrepância está relacionada a vários fatores que levam o material a se comportar de modo peculiar as características ao qual foi submetido. A origem da madeira dita as propriedades dos componentes internos, anomalias decorrentes da distribuição deficiente de seivas ao lenho, provocando desvios de veios, o fenômeno de fibras torcidas, que provocam um estado de tensões de cisalhamento no plano da imperfeição. Observou-se esses tipos de defeito em todas as amostras, sem presença de nó no vão. Observando o gráfico, o grupo que obteve maior deformação da peça seca foi o grupo Roxo com aproximadamente 2,7 %, valor bem menor se comparado com o ensaio de sua amostra úmida, que atingiu aproximadamente 3,8 %. Notou-se também que o grupo Preto obteve um máximo de aproximadamente 70 MPa de tensão na amostra seca e 40 MPa na amostra úmida. 4. Conclusão Sabe-se que a resistência da madeira sofre variação de acordo com seu teor de umidade. Normalmente, observa-se uma diminuição em sua resistência mecânica com o aumento do mesmo. No entanto, na espécie utilizada no experimento (angelim) verificou-se no experimento que houve um aumento da resistência. Diante desse comportamento inesperado deve-se enfatizar que a madeira é muito sensível à diversos fatores que podem modificar suas propriedades, tais como: influência do lugar de crescimento, ação de Julio F Máquina de escrever Boa discussão. 20 microorganismos xilófagos, posição do tronco, isto é, quando a madeira é retirada de diferentes lugares do tronco pode também ter comportamentos distintos, dentre outros. Por outro lado, a maioria das amostras apresentou aumento de sua deformação em função do incremento de umidade, devido ao acúmulo de águaentre as fibras da madeira, aumentando também seu volume, massa e, consequentemente, sua densidade. Por isso, na construção civil, é de suma importância o conhecimento acerca do uso da madeira. Se esta ficará exposta à umidade ou não, para saber se é necessário que se adote mecanismos de proteção para poupar suas propriedades mecânicas bem como sua deterioração. 5. Referência Biliográfica [1] FOREST PRODUCTS LABORATORY. Wood handbook--Wood as an engineering material. General Technical Report. FPL-GTR-113. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. 1999. 463 p. [2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT NBR7190: 1997 – Projeto de estruturas de madeira. Julio F Máquina de escrever Conclusão coerente.
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