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Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 1 MÓDULO 1 – Metálicas: Material aço 1. MATERIAIS METÁLICOS – São materiais compostos por metais, como por exemplo, o ferro. Esses materiais que tem o ferro em sua composição são chamados de metais ferrosos. O aço, o ferro fundido e o ferro laminado são as formas mais usuais de metais ferrosos. 1.1 – Aço O aço é um dos mais importantes materiais metálicos usados na indústria mecânica. É usado na fabricação de peças em geral. a) Processo de fabricação: • O ferro não é encontrado puro na natureza. Encontra-se geralmente combinado com outros elementos formando rochas as quais se dá o nome de MINÉRIO. • O Minério de Ferro é retirado de subsolos ou também de montanhas. Para retirar as impurezas, o minério é lavado, partido em pedaços menores e em seguida levado para a usina siderúrgica. Na Sinterização o minério de ferro é aglutinado a fim de conferir-lhes granulometria. • Na Coqueria o carvão mineral é transformado em coque siderúrgico (carvão coque). • No Alto Forno, já bastante aquecido, o minério de ferro é depositado em camadas sucessivas, intercaladas com carvão coque (combustível) e calcário (fundente). • Estando o Alto Forno carregado, por meio de dispositivo especial injeta-se ar em seu interior. O ar ajuda a queima do carvão coque, que ao atingir 1200 °C derrete o minério. • O ferro ao derreter-se se deposita no fundo do Alto Forno, e é denominado de ferro-gusa. • As impurezas ou escórias por serem mais leves, flutuam sobre o ferro-gusa derretido. • Através de duas aberturas especiais, em alturas diferentes são retiradas, primeiro a escória e em seguida uma liga ferro_carbono chamada de ferro fundido ou gusa, que é despejado em panelas e depois em formas denominadas lingoteiras (geralmente com formato de barras com seção retangular). • Depois de resfriada, o ferro-gusa é retirado da lingoteira recebendo o nome de LINGOTE DE FERRO GUSA. A seguir são armazenadas para receberem novos tratamentos, pois este tipo de liga de ferro, com alto teor de carbono e diversas impurezas é usado apenas na confecção de peças que não passarão por processos de usinagem. • O refinamento do ferro-gusa para transformá-lo em aço é realizado no conversor de oxigênio, onde é feita a retirada de carbono do gusa, por meio de injeção de oxigênio puro, e também para reduzir a quantidade de impurezas a limites prefixados. Esse processo é realizado na Aciaria. • O carbono aumenta a resistência do aço, porém o torna mais frágil. Os aços com baixo teor de carbono têm menor resistência à tração, porém são mais dúcteis, ou seja, deformam-se mais, e também podem ser soldados. • Portanto, aço é uma liga de ferro carbono que contem de 0,008% até 2,11% de carbono, e também outros elementos adicionais como silício, manganês, fósforo, enxofre, etc. Os aços carbono são divididos em baixo carbono (C < 0,29%), médio carbono (0,30% < C < 0,59%) e alto carbono (0,60% < C < 2,0%). A construção civil se utiliza mais comumente dos aços de baixo carbono. b) Processo de laminação: É o processo pelo qual o aço é transformado nos principais produtos siderúrgicos utilizados pela indústria da construção (chapas e perfis laminados). • Do conversor de oxigênio (quando as reações estão acabadas) o aço é colocado em panelas, o aço líquido ainda é tratado através de um processo de resfriamento, para se Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 2 evitar que os gases expelidos no processo formem grandes vazios no aço prejudicando as características mecânicas do aço. Esse processo chama-se desgaseificação. • Os óxidos insolúveis formados durante o processo de desgaseificação são retirados num processo de refinamento. • Da panela o aço fundido é descarregado nas lingoteiras, que são fôrmas metálicas no formato de placas ou tarugos (barras). As placas ou tarugos são laminados a quente formando os perfis laminados ou laminadas a frio formando os perfis soldados ou formados a frio. b1) Laminação a quente • Os lingotes são inicialmente aquecidos ao rubro e introduzidos em laminadores desbastadores, nos quais dois rolos giratórios comprimem o lingote, reduzindo sua seção e aumentando seu comprimento. • São necessárias diversas passagens no laminador nas quais a distância entre os rolos é progressivamente reduzida. • Os laminadores dos produtos acabados têm seus rolos com as superfícies cortadas nas formas adequadas do perfil em questão. b2) Laminação a frio • Os lingotes são cortados e soldados formando os perfis soldados ou dobradas formando os perfis formados a frio. c) Tratamento térmico: São recursos auxiliares utilizados para melhorar as propriedades dos aços. Dividem em dois grupos: • Tratamentos destinados principalmente a reduzir tensões internas provocadas por laminação, etc. • Tratamentos destinados a modificar a estrutura cristalina, com alteração da resistência e de outras propriedades. 1.2 – Ferro Fundido • É obtido diminuindo-se a porcentagem de carbono do ferro gusa (utilizando-se de fornos apropriados – segunda fusão). • É uma liga de ferro-carbono que contém de 2% a 4,3% de carbono e pequena porcentagem de silício, manganês, enxofre, fósforo, etc. Destacam-se duas modalidades principais de ferro fundido denominadas pela cor da fratura: a) Ferro-cinza (fácil de ser fundido e moldado em peças ideal para corpos de máquinas). b) Ferro branco (difícil de ser fundido e de ser usinado, muito duro, ideal pra peças que exijam muita resistência ao desgaste). 1.3 – Ferro Laminado ou Maleável • É praticamente um aço de baixo carbono, inferior a 0,12%. 2. TIPOS DE AÇOS ESTRUTURAIS Os tipos de aço estruturais são especificados em normas brasileiras e internacionais ou em normas elaboradas pelas próprias siderurgias. 2.1 Aços-carbono São aqueles que não contêm elementos de liga. Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 3 • Baixo carbono => C < 0,29% (mais adequados a construção civil e podem ser soldados sem precauções especiais) • Médio carbono => 0,30% < C < 0,59% • Alto carbono => 0,6% < C < 2,0% Exemplo de um tipo de aço-carbono utilizado em estruturas, segundo os padrões do ASTM (“American Society for Testing and Materials”): Especificação ASTM A36 Teor de Carbono 0,25-0,29% Limite de Escoamento fy = 250MPa (N/mm²) Resistência a Ruptura fu = 400-500 MPa (N/mm²) 2.2 Aços de Baixa Liga São aços-carbono acrescidos de elementos de liga os quais melhoram algumas das propriedades mecânicas. Exemplo de um tipo de aço de baixa liga utilizado em estruturas, segundo os padrões do ASTM (“American Society for Testing and Materials”): Especificação ASTM 572 Gr. 50 Principais elementos de liga C < 0,23% e Mn < 1,35% Limite de Escoamento fy = 345MPa (N/mm²) Resistência a Ruptura fu = 450 MPa (N/mm²) 3. PRODUTOS SIDERURGICOS ESTRUTURAIS 3.1 – Produtos Laminados: a) chapas b) barras c) perfis d) tubo quadrado e) tubo redondo f) trilho Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 4 a) Barras – são produtos laminados nos quais duas dimensões (da seção transversal) são pequenas em relação à terceira (comprimento). b) Chapas – são produtos laminados, nos quais uma dimensão (a espessura) é muito menor que as outras duas (largura e comprimento). Dividem-se em duas categorias: Chapas Fabricação Espessuras Utilização em Construção Grossas A quente > 5,0m Estruturas metálicas em geral Finas A quente 1,2 – 5,0mm Perfis de chapa dobradas* A frio 0,3 – 2,65mmm Acessórios: calhas, rufos, etc. *As chapas metálicas dúcteis podem ser dobradas a frio, transformando-se em perfis de chapas dobradas – NormaPrópria Brasileira. (Recomenda-se a utilização de espessura > 3,0mm para evitar problemas de instabilidade). c) Perfis • Um perfil laminado pode ser designado pelas suas dimensões. Ex: I 254 x 40,9: perfil I de altura igual a 254mm massa 40,9 kg/m. As seções transversais dos perfis laminados são limitadas pela capacidade dos laminadores. No Brasil os perfis laminados são fabricados segundo os padrões americanos: Perfil laminado de abas com faces paralelas de padrão europeu: • Perfis soldados (Formados pela associação de chapas ou de perfis laminados simples). Utilizam processos automatizados de solda (São mais caros). A Norma Brasileira NBR 5884/80 padronizam três séries de perfis soldados Perfis CS (colunas soldadas) Perfis VS (vigas soldadas) Perfis CVS (colunas e vigas soldadas) • Perfis de chapa dobrada Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 5 4 – PRODUTOS METALÚRGICOS Os produtos metalúrgicos podem ser churrasqueiras, moinhos, portões, ferramentas, pára- choque, máquina de solda, etc. 5. PROPRIEDADES DOS AÇOS a) Constantes físicas do Aço: podem ser adotadas em todos os tipos de aço estrutural (NBR8800/08, item 4.5.2) • Módulo de elasticidade => E = Ea = 200.000 MPa (N/mm²); • Coeficiente de Poisson => ν=0,3; • Módulo de elasticidade transversal => G = 77000MPa; • Coeficiente de dilatação térmica => βa = 1,2 x 10-5 oC-1; • Massa específica => ρa = 7850 kg/m3; b) Ductilidade – É a capacidade de o material se deformar sob a ação de cargas. c) Fragilidade – É o oposto da ductilidade. Os aços podem se tornar frágeis pela ação de diversos agentes: baixas temperaturas ambientes, efeitos térmicos locais (solda) e se rompem bruscamente, sem aviso prévio. d) Resiliência e Tenacidade – Estas duas propriedades se relacionam com a capacidade do metal de absorver energia mecânica. e) Dureza – É a resistência ao risco ou abrasão. f) Fadiga – Quando as peças metálicas trabalham sob efeito de esforços repetidos em grande número, pode haver ruptura em tensões inferiores às obtidas em ensaios estáticos. Esse efeito denomina-se fadiga do material. g) Efeito de Temperatura Elevada – As temperaturas elevadas modificam as propriedades físicas dos aços. h) Corrosão – O processo de reação do aço com alguns elementos presentes no ambiente em que se encontra exposto. A corrosão promove a perda de seção das peças de aço, podendo se constituir em causa principal de colapso. Formas de proteção: • Pintura => as peças metálicas recebem uma ou duas demãos de tinta de fundo (primer) após a limpeza e antes da fabricação, e após uma ou duas demão de tinta. • Galvanização => É a adição de uma camada de zinco por imersão. 6. PADRONIZAÇÃO 6.1 – Padronização ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 6 Segundo a especificação EB 558/NBR 7007 - “Aços para perfis laminados para uso estrutural” os aços podem ser enquadradros nas seguintes categorias: • MR250 – Aço de média resistência (fy = 250 MPa; fu = 400 MPa) corresponde ao aço ASTM A36 • AR350 – Aço de alta resistência (fy = 350 MPa; fu = 450 MPa) • AR–COR415 - Aço de alta resistência (fy = 415 MPa; fu = 520 MPa) resistente a corrosão. 6.2 – Nomenclatura SAE Para aços mais utilizados na indústria mecânica emprega-se com freqüência a nomenclatura SAE (Society of Automotive Engineirs SAE) a qual se baseia em quatro dígitos. • Aço SAE 1020 (aço carbono, com 0,20% de carbono) 1 dígito – representa o elementos de liga => 1 = aço-carbono; 2 dígito – representam a porcentagem aproximada do elemento de liga predominante; 3 e 4 dígitos – representam uma porcentagem de carbono em 0,01%; • Aço SAE 2320 (aço níquel, com 3,5% de níquel e 0,20% de carbono) 7. DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO DO AÇO 7.1 Ensaio de Tração Simples O ensaio de tração simples é utilizado para medir as propriedades mecânicas dos aços. As mesmas propriedades são obtidas para compressão (sem flambagem). A máquina de ensaio prende as hastes metálicas do corpo de prova, fabricado segundo a ASTM, submetendo-o a valores crescentes de esforços de tração, medindo em cada estágio de carga o alongamento ΔL de um trecho de comprimento Lo. Seja uma barra de seção circular submetida a um esforço de tração F. F F A L + Lo o Lo – comprimento marcado arbitrariamente na haste sem tensão; Lo + ΔL – comprimento alongado com tensão; Ao – Área inicial • Denomina-se alongamento unitário ε, deformação, a relação: oL L∆ =ε • A tensão convencional é dada por: oA F =σ • A tensão real é dada por: A F =σ Onde A é a área em cada estágio do carregamento. Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 7 Pela Lei de Hooke, dentro do regime elástico as σ são proporcionais às ε. O coeficiente de proporcionalidade E, denomina-se módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade ou ainda módulo de Young: ε⋅=σ E O E é praticamente igual para todos os tipos de aço. 7.2 Diagrama Os resultados do ensaio de tração podem ser apresentados em um gráfico chamado de diagrama de tensão x deformação. Esse diagrama pode ser analisado em quatro fases. Diagrama tensão-deformação convencional e real para material dúctil (aço) (sem escala). Fonte: HIBBELER (2004), p 64. 1ª Fase – Região elástica • Diagrama se comporta como uma reta as tensões são proporcionais às deformações - Lei de Hooke. Este fato ocorre até a tensão limite de proporcionalidade σlp. O módulo de elasticidade longitudinal do aço é definido nesta fase e vale: lp lptanE ε =α= σ Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 8 2ª Fase - Escoamento • Escoamento é um aumento de deformação com tensão constante. Essa tensão que produz o escoamento chama-se tensão de escoamento do material σE ou mais comumente σy ou fy. 3ª Fase – Endurecimento por deformação • Após o término do escoamento um incremento de força adicional resulta um diagrama que cresce continuamente até o limite de resistência σr. ou mais comumente σu ou fu Essa parte da curva do diagrama é conhecida por endurecimento por deformação. 4ª Fase – Estricção • Após esse limite a área da seção transversal começa a diminuir em uma região localizada (estricção), até se romper quando atinge a tensão de ruptura σrup. Obs: Existem aços que não apresentam patamar de escoamento bem definido. Referências Bibliográficas PFEIL, W., PFEIL, M. Estruturas de Aço – Dimensionamento Prático de Acordo com a NBR 8800:2008, Editora LTC, Rio de Janeiro, 8a ed., 2009. SILVA, V. P., FRUCHTENGARTEN, J. Estruturas metálicas e de madeira – Dimensionamento de estruturas de aço. São Paulo, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – USP, Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica, 2008. HIBBELER, R.C. Resistência dos Materiais, Editora Prentice Hall, São Paulo, 5ª. Ed., 2004. Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 9 MÓDULO 1 – Madeira: Material madeira 1. MADEIRA DE CONSTRUÇÃO 1.1 Introdução A madeira é um material de construção empregado pelo homem desde épocas pré- históricas. Somente na primeira metade do século XX foram estabelecidas teorias técnicas aplicadas às estruturas de madeira. Atualmente a utilização da madeira como material de construção competitivo economicamente e ao mesmo tempo aceitável em termos ecológicos, se baseia nas modernas técnicas de reflorestamento, aliadas ao desenvolvimento de produtos industrializados de madeira com minimização de perdas. 1.2 Aspectos favoráveis A madeira apresenta:• Uma excelente relação resistência/peso quando comparado ao aço e ao concreto; • Facilidade de fabricação de diversos produtos industrializados; • Bom isolamento térmico; • Possibilidade de reaproveitamento; • Grande durabilidade (em condições adequadas de manutenção); • Etc... 1.3 Aspectos desfavoráveis A madeira esta sujeita: • A degradação biológica por ataque de microorganismos, fungos, insetos, brocas, etc; • A ação do fogo; • A sensibilidade às variações de umidade que provoca contrações, inchamentos e trincas; • Por ser um material natural esta sujeito a inúmeros defeitos, como nós e fendas, que interferem nas propriedades mecânicas; Se a madeira for convenientemente tratada com o uso de produtos industriais esses aspectos são superados. Hoje existe uma evolução dos tratamentos que a cada dia são melhorados. 1.4 Classificações das Madeiras de Construção As madeiras de construção obtidas dos troncos das árvores são classificadas em duas categorias principais dependendo da estrutura celular dos troncos: • Madeiras duras são provenientes das árvores frondosas, de crescimento lento como, por exemplo: ipê, carvalho, peroba, aroeira, cedro, jacarandá, eucalipto, etc. Pertence a classe da Angiosperma, dentro do grupo das Dicotiledôneas, com folhas achatadas e largas. As de melhor qualidade são também chamadas de “madeiras de lei”. Os eucaliptos são utilizados como postes, estacas, dormentes, etc, e também na fabricação de papel e chapas de fibras de madeiras, etc. Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 10 Aroeira • Madeiras macias, moles ou brancas são provenientes das árvores pinheiros, de crescimento rápido como, por exemplo: pinheirinhos ou pinheiro-do-paraná, pinheiro-bravo, pinheiros europeus, norte-americanos, etc. Pertence a classe da Gimnosperma, dentro do grupo das Coníferas, com folhas em forma de agulhas ou escamas, e sementes agrupadas em forma de cones. Os pinheiros-do-paraná possuem uma grande variedade de aplicações como formas, andaimes, obras provisórias, embarcações, móveis, compensados para a indústria aeronáutica, etc. Pinheiro-do-paraná Obs: Existem alguns pinheiros mais resistentes que algumas árvores frondosas. 1.5 A árvore As árvores utilizadas como madeira de construção crescem pela adição de camadas externas, sob a casca. A seguir é mostrada a seção transversal de um tronco de árvore. Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 11 Casca Alburno ou branco Câmbio ou liberMedula Cerne ou durâmen Anéis de crescimento anual Raios medulares Seção transversal de um tronco. Os elementos da seção transversal são: • Casca é uma proteção externa formada por uma camada externa morta, de espessura variável com a espécie e idade da árvore, e uma fina camada de tecido vivo e macio que conduz o alimento preparado nas folhas para as partes em crescimento; • Alburno ou branco é uma camada de 3 a 5 cm, variável conforme a espécie, formada por células vivas que conduzem a seiva das raízes para as folhas; • Cerne ou durâmen são células inativas do alburno formadas com o crescimento da árvore. Possuem coloração mais escura e tem a função de sustentar o tronco. As madeiras de construção devem ser retiradas preferencialmente do cerne; • Medula é um tecido macio no centro do tronco em torno do qual se verifica o crescimento da madeira pela adição de anéis; • Raios medulares têm a função de armazenar e distribuir o alimento; Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 12 • Câmbio ou líber é uma camada microscópica situada sob a casca responsável pela produção de células da casca e pela formação dos anéis de crescimento. • Anéis de crescimento anuais são gerados por divisões celulares no câmbio. A idade da árvore e definida pelo número de anéis; 1.6 Microestruturas da madeira As células da madeira, também chamada de fibras, são como tubos de paredes finas colados entre si e alinhados na direção normal à seção transversal do tronco. 1.7 Propriedades físicas das madeiras • Material anisotrópico e não homogêneo – Devido à orientação das células a madeira apresenta propriedades diferentes conforme a direção e também varia dentro de uma mesma direção. São três direções principais: longitudinal (L), radial (R) e tangencial (T). L R T • Umidade – Define-se grau de umidade U como: Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 13 100 P PP(%)U s si ⋅ − = Onde: Pi é o peso inicial da madeira; Ps é o peso da madeira seca em estufa; Ponto de saturação das fibras é o ponto no qual a madeira posta a secar evapora a água contida nas células ocas (30%), então, ela é denominada “meio seca”. Madeira “seca ao ar” é quando a madeira posta a secar ultrapassa o ponto de saturação das fibras atingindo um ponto de equilíbrio com o ar, entre 10 e 20%. A umidade da madeira tem grande influência sobre as outras propriedades, por isso, é comum associá-las a certa umidade denominada de padrão. No Brasil é adotada umidade padrão de 12%. • Retração ou inchamento da madeira – ocorre para variação de umidade entre 0% e o ponto de saturação das fibras de 30%. Por volta de 19% ou menos diz-se que as fibras da madeiras estão secas, e por volta de 28% ou mais as fibras estão saturadas. • Dilatação linear – varia para cada direção. • Deterioração da madeira – pode ocorrer por diversas origens, destacando-se o ataque biológico por fungos, cupins, etc, e pela ação do fogo. 1.8 Defeitos das madeiras Os defeitos encontrados nas madeiras podem ser originados na constituição do tronco ou do processo de preparação das peças. Eles podem prejudicar a sua resistência, seu aspecto estético ou até mesmo a sua durabilidade. Destacam-se: • Nós - São imperfeições nos pontos do tronco onde existiam galhos: Nós firmes – galhos ainda vivos na época do abate; Nós soltos – galhos mortos na época do abate (eles se soltam durante o corte com serra); • Fendas - São aberturas nas extremidades das peças provocadas pela secagem mais rápida da superfície (pode ser evitada através de uma secagem lenta e uniforme); • Gretas ou ventas - É a separação entre os anéis de crescimento devido a tensões internas (provocada pelo crescimento lateral do tronco) ou por ações externas (provocada pela força do vento); • Abaulamento – É o encurtamento na direção da largura da peça; • Arqueadura - É o encurtamento na direção longitudinal da peça (comprimento); • Fibras reversas – São fibras não paralelas ao eixo da peça (provocadas pelos nós ou pela serragem em planos inadequados); • Esmoada ou quina morta – São cantos arredondado, formado pela curvatura natural do tronco; 1.9 Tipos de madeiras de construção – Produtos comerciais Elas podem se classificar em duas categorias: a) Madeira maciça • Madeira bruta ou roliça – É a madeira empregada em forma bruta do tronco. Pode ser utilizada para estacas, escoramentos, postes, colunas, ou construções provisórias, etc; Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 14 • Madeira falquejada – Tem as faces laterais aparadas a machado, formando seções maciças, quadradas ou retangulares. Podem ser utilizadas para estacas, pontes, etc; • Madeira serrada – É a mais utilizada. As árvores devem ser abatidas de preferência ao atingir a maturidade, ou seja, quando o cerne ocupa maior percentagem do tronco, período que pode durar até cem anos dependendo da espécie. O tronco deve ser abatido preferencialmente na estação da seca, quando o tronco tem pouca umidade. O desdobramento do tronco em peças deve ser realizado o mais breve possível. Nas serrarias o tronco é cortado em pranchas paralelasou de forma radial, esse último resulta num material mais homogêneo, porém mais oneroso. As espessuras devem obedecer a dimensões padronizadas e o comprimento é limitado pelo tipo de transporte. Antes de se utilizar a madeira serrada ela deve passar por um período de secagem. Desdobramento em pranchas paralelas Desdobramento radial As espessuras e áreas mínimas são mostradas na tabela abaixo: Espessura mínima cm Área mínima cm2 Seção mínima cm x cm Peças principais de seções simples 5 50 5 x 10 Peças componentes de seções múltiplas 2,5 35 2,5 x 14 Peças secundárias de seções simples 2,5 18 2,5 x 7,5 b) Madeira industrializada Surge para ampliar o uso da madeira na construção já que a madeira, além dos problemas oriundos dos seus defeitos naturais, ela enfrenta limitações em seu comprimento e dimensões das seções transversais. • Madeira compensada – é o produto mais antigo formado pela colagem de lâminas finas, com as direções das fibras alternadas ortogonalmente, com três, cinco ou mais camadas, sempre em número impar. As chapas de compensado têm suas dimensões são padronizadas de 2,50 x 1,25 m e espessura variando entre 4 e 30mm; Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 15 • Madeira laminada e colada – É um produto estrutural de madeira muito utilizado na Europa e América do norte. Ele é formado por madeira selecionada que são coladas sobre pressão, formando grandes vigas, em geral de seção retangular, sobre rígidos padrões de segurança, portanto seu custo é elevado; • Madeira recomposta – São produtos confeccionados na forma de placas desenvolvidos a partir de resíduos de madeira colados sobre pressão. Em geral, não são considerados materiais estruturais devido à baixa resistência e a durabilidade, sendo muito utilizados na indústria de móveis; 2. PROPRIEDADES MECÂNICAS – ENSAIOS - BASES DE CÁLCULO 2.1 Propriedades físicas e mecânicas das madeiras São determinadas por meio de ensaios padronizados em amostras sem defeitos. O ANEXO B da NBR 7190/97 define os métodos de ensaios para determinação de propriedades das madeiras para projeto de estruturas de madeiras. Para caracterização completa da madeira para uso em estruturas devem-se determinar através dos ensaios as seguintes propriedades: a) Resistência à compressão paralela às fibras fc; b) Resistência à compressão normal às fibras fcn; c) Resistência à tração paralela às fibras ft; d) Resistência à tração normal às fibras ftn; e) Resistência ao cisalhamento paralelo às fibras fv; f) Resistência ao embutimento fe paralelo às fibras (pressão de apoio em ligações com conectores); g) Resistência ao embutimento fen normal às fibras; h) Módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras Ec; i) Módulo de elasticidade na compressão normal às fibras Ecn; j) Densidade básica ρbas (massa específica definida pela razão entre a massa seca em estufa e o volume saturado submerso em água); k) Densidade aparente ρaparente (massa do corpo-de-prova a 12% de umidade); 2.2 Ensaios padronizados Utiliza-se de um número mínimo de seis corpos isentos de defeitos para a determinação de cada propriedade, em geral ela possuem seção transversal quadrada de 5 x 5 cm. a) Ensaio de compressão paralela às fibras (fc ou fc0 ou fwc0) Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 16 5cm Lo 15 cm N α σ50% σ10% fcel fc σc = N A = N A u αtg =Ec = σ50% σ10% ∆ε ∆ε ε= ∆L Lo Através deste ensaio determina-se o diagrama de tensão-deformação σc x ε. Utilizando extensômetros mecânicos ou transdutores de deslocamentos obtêm-se as medidas do encurtamento ∆L. Até fcel o trecho é linear no qual o comportamento da madeira é elástico. Neste trecho é calculado Ec ou Ec0 ou Ewc0 (módulo de elasticidade) com os valores de tensão e deformação correspondente a 10% e 50% da carga de ruptura, esse valor é estimado em um ensaio destrutivo realizado inicialmente. A partir de fcel o comportamento é não linear, então surge a flambagem das fibras da madeira. A tensão de ruptura ou resistência à compressão paralela às fibras é calculada dividindo-se a carga de ruptura, Nu, pela área da seção transversal inicial A do corpo de prova. b) Ensaio de compressão normal às fibras (fcn ou fc90 ou fwc90) 5cm 10 cm N α σ50% σ10% fcn σcn αtg =Ecn ε εr= 2% = σ50% σ10% ∆ε Através deste ensaio determina-se o diagrama de tensão-deformação σcn x ε. Quando as fibras são comprimidas transversalmente elas ficam achatadas, por serem constituídas por células ocas apresentam grandes deformações, por isso o patamar quase horizontal no final do diagrama. A resistência à compressão normal as fibras fcn é definida por um critério de deformação excessiva sendo igual à tensão correspondente a uma deformação residual εr = 2%. O módulo de elasticidade Ecn ou Ec90 ou Ewc90 é determinado de forma semelhante ao Ec. A resistência fcn é aproximadamente ¼ da fc. c) Ensaio de tração paralelo às fibras (ft ou ft0 ou fwt0) Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 17 Lo >15 cm F σ50% σ10% fc σt = F A Et = σ50% σ10% ∆ε ∆ε ε= ∆L Lo A A d>2cm CORTE A-A ft Compressão Tração Através deste ensaio determina-se o diagrama de tensão-deformação σt x ε. Este ensaio apresenta regime linear até tensões bem próxima às tensões de ruptura ft e sofre pequenas deformações. A resistência a compressão fc é menor que ft. O módulo de elasticidade a tração paralelo às fibras Et ou Et0 ou Ewt0 é igual ao Ec. d) Ensaio de tração normal às fibras (ftn ou ft90 ou fwt90) A tração perpendicular às fibras é de rara ocorrência em estruturas. 2.3 Correlação entre propriedades Quando não forem realizados ensaios específicos pode-se adotar que: • O módulo de elasticidade a compressão paralelo às fibras Ewc0 é igual ao módulo de elasticidade a tração paralelo às fibras Ewt0. 0wt0wc EE = • Módulo de elasticidade na flexão EM 0wcM E85,0E = para coníferas 0wcM E90,0E = para dicotiledôneas • Módulo de elasticidade 0w90w E20 1E = • Módulo de elasticidade transversal com o valor efetivo 20 E G ef,0wcef = 2.4 Bases de cálculo Através dos ensaios padronizados são obtidas as resistências características dos corpos- de-prova sem defeitos referidos à umidade padrão de 12%. Como a madeira serrada a ser utilizada nos projetos de estruturas de madeiras pode apresentar defeitos, pode ter diferentes teores de umidade e o carregamento pode apresentar tempo de duração incerto essas propriedades não representam as propriedades mecânicas. Os valores das resistências para Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira Página 18 serem utilizados nos dimensionamentos dos projetos devem levar em consideração esses fatores. Isso é feito através dos coeficientes de modificação Kmod. Com a utilização dos Kmod obtêm-se os valores de cálculo a serem utilizados nos dimensionamentos. Assim os valores de cálculo da resistência são dados por: w wk modwd fKf γ = Onde: Fwd => Resistência de cálculo da madeira Kmod => Coeficiente de modificação fwk => Resistência característica da madeira γw => Coeficiente de minoração das propriedades da madeira (Tabela **) 2.5 Coeficiente de modificação Kmod • Kmod,1 => Leva em consideração o tipo de madeira empregada e o tempo de duração da carga (Tabela 10 - NBR7190/97); • Kmod,2 => Leva em consideração o efeito da umidade (Tabela 11 - NBR7190/97) • Kmod,3 => Leva em consideração a classificação da qualidade da madeira (Tabela *) Lote de 1a. categoria – quando todas as peças do lote são isentas de defeitos verificado através de umainspeção visual normalizada e a homogeneidade da rigidez é verificada por uma classificação mecânica. Lote de 2a. categoria – caso contrário. 3mod,2mod,1mod,mod KKKK ⋅⋅= Referência Bibliográfica PFEIL, W., PFEIL, M. Estruturas de Madeira, Editora LTC, Rio de Janeiro, 6a ed., 2008.
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