Prévia do material em texto
1 Construções I Texto 7: A madeira como material de construção 1. Introdução A madeira é um material excepcional como material de construção além de ter qualidades muito grandes como matéria prima para outros produtos industrializados, e que vem sendo utilizada desde os primórdios da civilização. Diversas pesquisas têm sido desenvolvidas no sentido de tratar a madeira para sua utilização em diversas etapas construtivas. As madeiras em seu estado natural têm características próprias que podem ser alteradas com tecnologia moderna. Algumas destas características mais importantes são: apresenta resistência mecânica tanto a esforços de tração como à compressão, além de resistência atração na flexão; tem resistência mecânica elevada em relação ao seu peso próprio pequeno; tem resistência a choques e cargas dinâmicas absorvendo impactos que dificilmente seriam com outros materiais; tem fácil trabalhabilidade permitindo ligações simples; boas características de absorção acústica. bom isolamento térmico; custo reduzido e é renovável, desde que convenientemente preservada; apresenta diversos padrões de qualidade e estéticos. Na medida em que técnicas modernas foram sendo adotadas na tentativa de melhoria de suas qualidades, passou a ser mais utilizada visto que estes procedimentos melhoram suas boas qualidades e eliminam ou minoram as inconvenientes que podem ser: perda de propriedades e surgimento de tensões internas secundárias devido a problemas de secagem e umidade. Estes problemas são resolvidos com controle da umidade e da secagem com controle fácil deterioração em ambientes agressivos que desenvolveram agentes predadores como fungos, cupins. mofo. etc. heterogeneidade e anisotropia naturais de sua constituição fibrosa, além de suas dimensões limitadas, podendo estes inconvenientes serem resolvidos pela laminação, contraplacados e aglomerados. A madeira como material de construção é depois do aço o material mais utilizado. Pode ser utilizada em diversas etapas desde as fundações até os acabamentos, passando tanto pela estrutura como por material auxiliar. Pode ser usada também em diversos tipos de construção como em estradas de ferro, galerias, etc. Pode ser utilizada como combustível, embora tenha um poder calórico baixo, é bastante utilizada 2 para este fim. Além disto serve como matéria prima para papel, resinas, álcoois, plásticos, sendo o papel o seu principal subproduto. 2. ORIGEM E PRODUÇÃO A madeira, como material de construção é produto do beneficiamento do tronco de árvores. As características de anisotropia e heterogeneidade são decorrentes da sua origem. Suas características também são decorrentes das diversas espécies existentes. A classificação é: 1. Endógenas: aquelas em que o desenvolvimento do caule se dá de dentro para fora. Neste grupo estão as monocotiledôneas que são as palmas e as gramíneas. As palmas são madeiras que não apresentam boa durabilidade, mas podem ser utilizadas de modo satisfatório em estruturas temporárias, como escoramentos e cimbramentos. Nas gramíneas destaca-se o bambu, que não é madeira no sentido usual da palavra, mas tendo em vista a sua boa resistência mecânica, associada à sua baixa densidade, presta-se para construções leves. 2. Exógenas: aquela em que o crescimento do caule se dá de fora para dentro, com adição de novas camadas em forma de anel, chamados anéis anuais de crescimento. Estas árvores classificam-se em gimnospermas e angiospermas. As gimnospermas são árvores coníferas e resinosas, tendo folhas em forma de agulha não fornecendo frutos. São madeiras de lenho mais mole e correspondem a 35% das espécies conhecidas. Neste grupo destacam-se as coníferas das quais fazem parte os Pinus e a Araucária As angiospermas são árvores frondosas conhecidas no Brasil como madeira de lei. Representam 65% das espécies conhecidas. Neste grupo estão as dicotiledôneas no qual se encontram as principais espécies utilizadas na construção civil do Brasil. As árvores são compostas de raiz, caule e copa. A raiz é o apoio da árvore ao solo, tendo a finalidade de retirar do solo os sais minerais para seu desenvolvimento. O tronco além de sustentar a copa conduz por capilaridade a seiva bruta da raiz às folhas, como a seiva elaborada das folhas para o lenho em crescimento. A copa desdobra-se em galhos e folhas, além das flores e frutos. As folhas transformam a seiva bruta em elaborada. O lenho é a parte da árvore que é utilizada como material de construção. Sua constituição é diversificada e suas partes são: Casca: É a proteção do tronco além de conduzira seiva elaborada nas folhas para o tronco. A parte externa é morta e denominada cortiça, a parte interna por onde passa a seiva é denominada floema. A parte externa pode ser renovada visto que é elemento 3 morto, não apresentando interesse como material de construção com exceção de alguns casos onde é aproveitada como material de acabamento e termoacústicas. A parte interna da casca transporta a seiva das folhas ao caule. Câmbio: E uma camada muito esbelta que se situa entre a casca e o lenho, constituída de tecido vivo, sendo tão importante quanto à parte interna da casca. Seu seccionamento produz a morte da árvore, sendo esta uma maneira eficiente de permitir a seca da mesma em pé. O estrangulamento do tronco com um arame impossibilita seu desenvolvimento e conseqüente morte. Estando em pé a secagem é natural evitando trancas e rachaduras comuns em espécies como o eucalipto. A partir do câmbio são gerados os anéis anuais de crescimento que podem ter coloração diferenciada, dependendo da época do ano em que se encontram e do tipo de madeira. Apertados indicam árvores com alta resistência, largos, com baixa resistência, definindo-se a idade da árvore pelo número de anéis encontrados. Problemas decorrentes de estiagens, pragas, etc., provocam defeitos que irão alterar as características físicas e mecânicas da madeira. Lenho: É o núcleo do tronco, sendo portanto a parte resistente da árvore. Desta parte é retirada através de desdobro do material utilizado na construção civil. É constituído pelo alburno que é a parte mais externa, e pelo cerne que é a parte central do tronco, sendo formado por células mortas ou esclerosadas. Este fato torna-o mais resistente visto não existir nesta região a seiva, e conseqüentemente não ser atrativo a insetos e outros agentes de deterioração. A utilização do alburno e do cerne não deve ser diferenciada apesar desta diferença visto que além de compor entre 25 e 50% do tronco o alburno é a parte que melhor absorve conservantes. Medula: E o miolo central do tronco, sendo esta parte constituída de tecido frouxo muitas vezes já apodrecido. Sua presença em material serrado constitui um defeito. A Figura 1 apresenta uma descrição simplificada da anatomia de uma árvore Figura 1 – Descrição simplificada da anatomia de uma árvore 4 A produção da madeira como material de construção inicia-se no corte da árvore, passando pela toragem, falquejamento, desdobro e beneficiamento. O corte deve ocorrer em épocas oportunas, sendo no Brasil aconselhável o processo ser efetuado nos meses de inverno, ou sem R. Este fato é importante na secagem do tronco por ser a mesma mais lenta provocando menos rachaduras ou fendas, além de atraírem poucos insetos por estarem com pouca seiva elaborada. A toragem é o processo de desgalhamento e corte em tamanhos de 5 a 6 metros que facilitam o transporte. Também nesta etapa são falquejadas e descascadas. O processode falquejamento é o corte de costaneiras, ficando a seção aproximadamente quadrada o que impede o tombamento no transporte além da economia de espaço entre troncos. O desdobro é a etapa final para transformação em material de construção. São feitos de duas maneiras. O desdobro normal produz peças inteiras de lado a lado do tronco (Figura 2 (a)). A outra é o desdobro radial que corta o tronco na direção do seu diâmetro evitando-se entretanto a medula (Figura 2 – (b)). (a) (b) Figura 2 – Tipos de desdobro O desdobro radial produz peças de melhor qualidade, tendo menores rachaduras durante a secagem, menores empenamentos e defeitos provenientes da heterogeneidade. E inconveniente devido ao alto custo de produção, sendo aconselhável somente em aplicações especiais. A última etapa da produção da madeira é o aparelhamento da peça ou beneficiamento da mesma. Aparelhamento é a padronização das medidas ao passo que o beneficiamento é sua utilização com acabamento aparente. 3. PROPRIEDADES FÍSICAS DAS MADEIRAS Os diversos tipos de madeira existentes proporcionam que o seu uso seja específico para cada tipo de aplicação. A escolha só pode ser acertada se forem conhecidas as propriedades físicas e sua resistência às solicitações mecânicas. Este conhecimento somente será possível se os resultados médios dos ensaios que são executados forem conhecidos. Estes ensaios são realizados levando-se em conta tanto os fatores naturais como tecnológicos decorrentes da realização destes ensaios. Os fatores naturais são: 5 a espécie da madeira já que cada uma delas tem as suas características, o que impõe um completo conhecimento de cada uma delas; massa especifica do material que é um índice de material resistente por unidade de volume. Por este valor já se pode determinar todos os demais parâmetros da madeira; localização no lenho já que variações na retirada do corpo de prova influenciam diretamente na resistência da amostra; presença de defeitos que podem provocar diversas alterações na resistência das peças. Dependem da distribuição, dimensões e localização; umidade que pode alterar profundamente as características do material. A propriedade hidrófila da madeira faz com que, dependendo de sua condição de uso, sejam completamente diferentes as suas propriedades. No estado seco a resistência mecânica é a maior possível, ao passo que saturada apresenta a sua menor resistência. Os fatores tecnológicos são os decorrentes da forma de execução dos ensaios. As dimensões dos corpos de prova, sua localização no lenho, velocidade das cargas aplicadas podem alterar ou até falsear um ensaio. A madeira é um material ortotrópico, ou seja, com comportamentos diferentes em relação à direção do crescimento das fibras. Devido à orientação das fibras da madeira e a sua forma de crescimento, as propriedades variam de acordo com os três eixos perpendiculares entre si: longitudinal, radial e tangencial como é apresentado na figura 3. As diferenças das propriedades nas direções radial e tangencial são relativamente menores quando comparadas com a direção longitudinal. Comumente as propriedades da madeira são apresentadas, para utilização estrutural, somente no sentido paralelo às fibras da madeira, isto é, o sentido longitudinal e no sentido perpendicular às fibras, ou seja, o radial e o tangencial. Figura 3 – Eixos principais da madeira em relação à direção das fibras Os ensaios são normalizados pela NBR 7190, que trata desde a forma de extração dos corpos de prova, sua orientação dentro do lenho, altura e posição do corpo de prova, cuidados com relação 6 à verificação de todas as partes do lenho, teor de umidade e forma do carregamento. 3.1. Características Físicas As características a serem analisadas são, a umidade, a retratibilidade, a densidade, a condutibilidade térmica, elétrica e sonora além da resistência ao fogo. As características de cada material permitem a escolha do melhor material para a sua melhor aplicação. Existem materiais muito bons para determinadas aplicações sendo incompatíveis com outras. Este conhecimento permite a escolha ideal para cada projeto. Umidade Após a extração da árvore, sua seiva permanece no material em três estados: a água de constituição, a de impregnação e a livre. A de constituição não pode ser eliminada nem na secagem, sendo portanto impossível a sua retirada. Quando a água contém somente esta água diz-se que a madeira está completamente seca. Par atingir esta condição basta a madeira ser deixada em estufa a uma temperatura de 100 à 150oC. A água de impregnação aparece entre as fibras e células lenhosas. Esta água provoca um inchamento considerável na madeira, alterando todo o comportamento físico mecânico do material. Quando esta água impregna todo a madeira sem escorrimento diz-se que a madeira atingiu o teor de umidade de saturação ao ar. Após a madeira se encontrar neste estado qualquer outro incremento de umidade pouco importa na sua qualidade, pois está somente preenchendo vasos capilares. Esta condição é chamada de água livre. O teor de umidade correspondente ao mínimo de água livre e ao máximo de água de impregnação é denominado de "Ponto de saturação das fibras". Para as madeiras brasileiras esta umidade encontra-se em tomo de 25%. A perda de água na madeira até o ponto de saturação das fibras se dá sem a ocorrência de problemas para a estrutura da madeira. A partir deste ponto a perda de umidade é acompanhada pela retração (redução das dimensões) e aumento da resistência, por isso a secagem deve ser executada com cuidado para se evitarem problemas na madeira. Deixando-se o material exposto ao ar até a perda da água de impregnação diz-se que a madeira está seca ao ar tendo uma umidade em torno de 13 a 17%. Esta medida é obtida através de pesagens sucessivas sem alterações significativas do peso da amostra. É comum adotar a nomenclatura a seguir para estes diversos estados: madeira verde - umidade acima de 30% madeira semi-seca - acima de 23% madeira comercialmente seca - entre 18 e 23% madeira seca ao ar - entre 13 e 18% madeira dessecada - entre 0 e 13% 7 madeira seca - 0% A madeira quando for utilizada deverá possuir determinadas condições para o seu uso. A tabela 1 apresenta a umidade indicada para o tipo de construção (classificação expedita). Tabela 2 – Condições da madeira a serem adotadas em função do tipo de construção Tipo de construção Condições da madeira Construções submersas ou contato com água Madeiras saturadas com 30% de umidade Construções expostas como torres, postes, cimbramentos. Madeiras comercialmente secas com 18 a 23% de umidade Construções abertas como galpões e hangares Madeira seca ao ar com 13 a 18% de umidade Locais secos e fechados como telhados Madeiras secas ao ar Locais fechados e aquecidos Madeiras bem secas com 10 a 12% de umidade Locais com aquecimento artificial Madeira seca artificialmente A NBR 7190 – Projeto de estruturas de madeira preconiza 4 classes de umidade para fins de projeto como apresentado na tabela 2. As classes de umidade têm por finalidade ajustar as propriedades de resistência e de rigidez da madeira em função das condições ambientais onde permanecerão as estruturas. Estas classes também podem ser utilizadas para a escolha de métodos de tratamentos preservativos das madeiras estabelecidos no anexo E desta Norma. Para fins de aplicação estrutural da madeira e para classificação de espécies, a NBR 7190 especifica a umidade de 12% ou seja, o valor correspondentea classe 1 da tabela 2 como de referência para a realização de ensaios e valores de resistência nos cálculos. É importante destacar ainda que a umidade apresenta grande influência na densidade da madeira. Tabela 2 Classes de umidade segundo a NBR 7190 Classes de umidade Umidade relativa do ambiente Uamb Umidade de equilíbrio da madeira Ueq 1 65% 12% 2 65% < Uamb 75% 15% 3 75% < Uamb 85% 18% 4 Uamb > 85% 25% Retratibilidade É a propriedade de variação volumétrica da madeira quando ocorre a variação de umidade entre o estado seco e a condição de saturada ao ar, ou seja pela saída da água de impregnação. Pode ser inchamento ou contração, denominado trabalho da madeira. A retratibilidade pode ser medida tanto na forma volumétrica como na linear. A volumétrica é 8 medida com absoluta precisão em três estados de umidade; verde, seca ao ar e seca em estufa. A linear é a medição nas três direções do corpo de prova nos mesmos estados de umidade que a medição volumétrica. Como visto anteriormente a madeira apresenta comportamentos diferentes de acordo com a direção em relação às fibras e aos anéis de crescimento. Assim, a retração ocorre em porcentagens diferentes nas direções tangencial, radial e longitudinal. Em ordem decrescente de valores, encontra-se a retração tangencial com valores de até 10% de variação dimensional, podendo causar também problemas de torção nas peças de madeira. Na seqüência, a retração radial com valores da ordem de 6% de variação dimensional, também pode causar problemas de rachaduras nas peças de madeira. Por último, encontra-se a retração longitudinal com valores de 0,5% de variação dimensional. Um processo inverso também pode ocorrer, o inchamento, que se dá quando a madeira fica exposta a condições de alta umidade onde ao invés de perder água ela absorve, provocando um aumento nas dimensões das peças O comportamento diferenciado na retratibilidade pode afetar a qualidade do lenho, podendo aparecer, fissuras, rachaduras, fendas de secagem, etc. Três cuidados podem ser adotados de modo a minorar este efeito: peças com teores de umidade compatíveis com o ambiente a ser empregada desdobro e emprego adequados impregnação das peças com óleos e resinas Densidade A norma brasileira apresenta duas definições de densidade a serem utilizadas em estruturas de madeira. A primeira delas é a "Densidade Básica" da madeira definida como a massa específica convencional obtida pelo quociente da massa seca pelo volume saturado e pode ser utilizada para fins de comparação com valores apresentados na literatura internacional. A segunda, definida como "Densidade Aparente", ou seja, peso por unidade de volume aparente (Dh = Ph/Vh) , referida à umidade h na qual for determinada. A NBR 7190 indica como umidade padrão de referência 12%, para ser utilizada para classificação da madeira e nos cálculos de estruturas A densidade pode ser entendida como o índice de compacidade das fibras da madeira, mostrando uma maior ou menor quantidade de fibras por unidade de volume aparente. Pode-se correlacionar diversos tipos de madeira conforme esta característica. A densidade varia com a umidade e a posição no lenho. Condutibilidade elétrica: Quando bem seca é excelente isolante elétrico ao passo que úmida torna-se condutora. Varia com as espécies. Condutibilidade térmica: mal condutor independente da espécie. 9 Condutibilidade sonora: Não é bom isolante acústico porém quando usado em tratamento acústico funciona bastante bem por ter boa capacidade de absorção dos sons. Resistência ao fogo Erroneamente, a madeira é considerada um material de baixa resistência ao fogo. Isto de deve, principalmente, á falta de conhecimento das suas propriedades de resistência quando submetida a altas temperaturas e quando exposta à chama, pois, sendo bem dimensionada ela apresenta resistência ao fogo superior a de outros materiaIs estruturais Uma peça de madeira exposta ao fogo torna-se um combustível para a propagação das chamas, porém, após alguns minutos, uma camada mais externa da madeira se carboniza tornando-se um isolante térmico, que retém o calor, auxiliando, assim, na contenção do incêndio, evitando que toda a peça seja destruída. A proporção de madeira carbonizada com o tempo varia de acordo com a espécie e as condições de exposição ao fogo. Entre a porção carbonizada e a madeira sã encontra-se uma região intermediária afetada pelo fogo mas não carbonizada, porção esta que não deve ser levada em consideração na resistência. Os estudos de capacidade de resistência ao fogo devem ser feitos com temperaturas em torno de 8500C, que é a temperatura em incêndios. O comportamento da madeira deve ser estudado na forma preventiva, sendo a propagação um efeito quase que natural. Em seu estado natural a madeira inicia a combustão em torno de 275o C, desde que haja oxigênio para a combustão. A combustão superficial forma uma capa de madeira calcinada que impede a passagem do ar dificultando a queima. Esta capa tem aproximadamente 10 mm de espessura, e se a temperatura permanecer constante a queima cessa. Peças com menos de 25 mm não devem ser usadas porque não formam a capa de proteção, destruindo-se rapidamente. Em incêndios de grande temperatura, com mais de 850o C, as peças de madeira não rompem imediatamente devido a este fator, permanecendo portanto com alguma resistência. Uma peça de aço em temperaturas próximas de 3000C já estão em processo de escoamento. Em coberturas de incêndio estes fatores podem ser levados em consideração. Peças com menos de 10 mm têm alto risco de combustão, com 25mm têm fator de risco menor e com mais de 50mm podem ter menos risco que estruturas metálicas. O aumento de sua resistência à combustão pode ser obtido com produtos ignífugos ou retardadores de combustão. 3.2. PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS MADEIRAS São as características de resistência da madeira a diversos tipos de esforços à que estão sujeitas as estruturas. Todas as características estão diretamente ligadas às propriedades anisotrópicas, à absorção de umidade e à densidade de fibras, sendo que quanto maior for esta quantidade maior será a resistência da peça. 10 De um modo geral, são as seguintes as propriedades de interesse nas estruturas de madeira: a) umidade; b) densidade; c) estabilidade dimensional; d) compressão paralela às fibras; e) tração paralela às fibras; f) compressão normal às fibras; g) tração normal às fibras; h) cisalhamento; i) fendilhamento; j) flexão; k) dureza; l) resistência ao impacto na flexão; m) embutimento; n) cisalhamento na lâmina de cola; o) tração normal à lâmina de cola; p) resistência das emendas dentadas e biseladas. De acordo com o tipo de utilização, a NBR 7190 considera: Caracterização completa da resistência da madeira: (b); (d), (e), (f), (g), (h) e (m) Caracterização mínima da resistência: (b); (d), (e) e (h). 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 (d). A NBR 7190 - Projeto de estruturas de madeira apresenta os métodos de ensaio para a determinação destas propriedades e são divididas em propriedades de elasticidade e de resistência. Para a investigação direta de lotes de madeira serrada considerados homogêneos, cada lote não deve ter volume superior a 12 m3. Do lote a ser investigado deve-se extrair uma amostra, com corpos-de-prova distribuídos aleatoriamente ao longo do lote, devendo ser representativa datotalidade do mesmo. Para isso não se devem retirar mais de um corpo-de-prova de uma mesma peça. Os corpos-de-prova devem ser isentos de defeitos e retirados de regiões afastadas das extremidades das peças de pelo menos 5 vezes a menor dimensão da seção transversal da peça considerada, mas nunca menor que 30 cm. O número mínimo de corpos-de-prova deve atender aos objetivos da caracterização: (a) caracterização simplificada: 6 corpos-de-prova; (b) caracterização mínima da resistência de espécies pouco conhecidas: 12 corpos-de-prova. A figura 4 apresenta o esquema para extração de corpo de prova das peças de madeira serrada Figura 4 – Esquema de extração de corpos-de-prova de madeira serrada 11 3.2.1. Propriedades Elásticas Elasticidade é a capacidade do material de retomar a sua forma inicial, depois de retirada a ação externa que o solicitava, sem apresentar deformação residual. Apesar de não ser um material elástico ideal pois apresenta uma deformação residual após a solicitação, a madeira pode ser considerada como tal para a maioria das aplicações estruturais As propriedades elásticas são descritas por três constantes: o módulo de elasticidade longitudinal (E), o módulo de elasticidade transversal (G) e o coeficiente de Poisson (v). Como a madeira é um material ortotrópico, as propriedades de elasticidade variam de acordo com a direção das fibras em relação à direção de aplicação da carga. Módulo de Elasticidade (E) De acordo com a NBR 7170 trabalha-se com três valores de módulo de elasticidade: o módulo de elasticidade longitudinal (E0), determinado através do ensaio de compressão paralela as fibras da madeira; o módulo de elasticidade normal (E90). que pode ser representado como uma fração do módulo de elasticidade longitudinal pela seguinte expressão: 20 E E 090 ou ser determinado por ensaio de laboratório; e o módulo de elasticidade na flexão (EM). que também pode ser determinado de acordo com o método de ensaio apresentado pela norma brasileira e pode ser relacionado com o módulo de elasticidade longitudinal pelas expressões abaixo: Para as coníferas EM = 0,85 E0 Para as dicotiledôneas EM = 0,90 E0 Módulo de elasticidade transversal (G) Pode ser estimado a partir do módulo de elasticidade longitudinal (E0). pela seguinte relação: 20 E G 0 Coeficiente de Poisson A norma brasileira, NBR 7190,. não traz em seu texto nenhuma especificação a respeito de valores do coeficiente de Poisson para a madeira. 3.2.2. Propriedades de Resistência Estas propriedades descrevem as resistências últimas de um material quando solicitado por uma força. Da mesma forma que o exposto anteriormente, as propriedades de resistência da madeira diferem 12 segundo os três eixos principais, embora com valores muito próximos nas direções tangencial e radial. Por isso, as propriedades de resistência são analisadas segundo duas direções: paralela e normal às fibras. Compressão em peças curtas Três são as solicitações as quais se pode submeter à madeira na compressão: normal, paralela ou inclinada em relação às fibras. Quando a peça é solicitada por compressão paralela as fibras, as forças agem paralelamente a direção do comprimento das células. Desta forma as células, em conjunto, conferem uma grande resistência a madeira na compressão. Para o caso de solicitação normal as fibras, a madeira apresenta valores de resistência menores que os de compressão paralela, pois a força é aplicada, na direção normal ao comprimento das cédulas, direção esta onde as cédulas apresentam baixa resistência. Os valores de resistência à compressão normal as fibras são da ordem de 1/4 dos valores apresentados pela madeira na compressão paralela. Já para solicitações inclinadas em relação às fibras da madeira adotam-se valores intermediários entre a compressão paralela e a normal, valores estes obtidos pela expressão de Hankinson: 2 90c 2 0c 90c0c c ff ff f cossen. . A figura 5 mostra de maneira simplificada as formas de compressão na madeira. Compressão paralela: tendência de encurtar as células da madeira ao longo do seu eixo longitudinal. Compressão normal: comprime as células da madeira perpendicularmente ao eixo longitudinal. Compressão inclinada: age tanto paralela como perpendicularmente as fibras. Figura 5 Formas de compressão na madeira Para o ensaio de compressão paralela as fibras os corpos de prova têm a forma prismática com seção transversal quadrada de 5,0cm por 15,0cm como representado na figura 6 – (a) e para o ensaio de compressão normal às fibras os corpos de prova também têm a forma prismática com seção transversal quadrada de 5,0cm de lado e altura de 10,0cm na direção tangencial como indicado na figura 6 – (b). 13 Tração Duas solicitações diferentes de tração podem ocorrer em peças de madeira: tração paralela ou tração perpendicular às fibras da madeira. As propriedades da madeira referentes a estas solicitações diferem consideravelmente A ruptura por tração paralela as fibras pode ocorrer de duas maneiras, por deslizamento entre as células ou por ruptura das paredes das células. Em ambos os modos de ruptura a madeira apresenta baixos valores de deformação e elevados valores de resistência. Já na ruptura por tração normal as fibras, a madeira apresenta baixos valores de resistência. Na tração, análogo ao caso da compressão normal as fibras, os esforços agem na direção perpendicular ao comprimento das fibras tendendo a separa-las, alterando significativamente a sua integridade estrutural e apresenta baixos valores de deformação. Deve-se evitar, para efeito de projetos, a consideração da resistência da madeira quando solicitada a tração na direção normal as fibras. A figura 6 mostra as formas de tração na madeira. Tração paralela: alongamento das células da madeira ao longo do eixo longitudinal Tração normal: tende a separar as células da madeira perpendicular aos seus eixos, onde a resistência é baixa, devendo ser evitada. Figura 6 – Formas de tração na madeira Por ser um material fibroso a tração paralela as fibras é o esforço que melhor se distribui na madeira. Praticamente não ocorre ruptura do material por tração, pois nas ligações, a diminuição das seções transversais devido à introdução dos conectores provoca com que o rompimento ocorra exatamente nestes pontos. De forma inversa do que ocorre nas peças comprimidas a tração provoca a aproximação das fibras, o que proporciona uma resistência bastante maior que a verificada à compressão, algo em torno de 2,5 vezes maior. CisaIhamento Existem três tipos de cisalhamento que podem ocorrer em peças de madeira. O primeiro se dá quando a ação age no sentido perpendicular às fibras (cisalhamento vertical), este tipo de solicitação não é crítico na madeira, pois, antes de romper por cisalhamento a peça já apresentará problemas de resistência na compressão normal. os outros dois tipos de cisalhamento referem-se à força aplicada no sentido longitudinal as fibras 14 (cisalhamento horizontal) e a força aplicada perpendicular as linhas dos anéis de crescimento (cisalhamento "rolling"). O caso mais crítico é o do cisalhamento horizontal que leva a ruptura pelo escorregamento entre as células da madeira. Já o cisalhamento “rolling” produz uma tendência das células rolarem umas sobre as outras. Cisalhamento vertical: deforma as células da madeira perpendicularmente ao eixo longitudinal. Normalmente não é consideradopois, outras falhas ocorrerão antes. Cisalhamento horizontal: produz a tendência madeira das células da madeira se separarem escorregarem longitudinalmente. Cisalhamento perpendicular: Produz a tendência das células da madeira rolarem umas sobre as outras, transversalmente ao eixo longitudinal. Figura 7 - Cisalhamento na madeira Flexão simples Quando a madeira é solicitada a flexão simples ocorrem quatro tipos de esforços: compressão paralela as fibras, tração paralela às fibras, cisalhamento horizontal e nas regiões dos apoios compressão normal às fibras. A ruptura em peças de madeira solicitada à flexão ocorre pela formação de minúsculas falhas de compressão seguidas pelo desenvolvimento de enrugamentos de compressão macroscópicos. Este fenômeno gera o aumento da área comprimida na seção e a redução da área tracionada, podendo, eventualmente, romper por tração. Figura 8 - Flexão na madeira Torção As propriedades da madeira solicitadas por torção são muito pouco conhecidas. A norma brasileira recomenda evitar a torção de equilíbrio em peças de madeira, em virtude do risco de ruptura por tração normal as fibras decorrente do estado múltiplo de tensões atuante. 15 Resistência ao choque A resistência ao choque é a capacidade do material absorver rapidamente energia pela deformação. A madeira é considerada um material de ótima resistência no choque. Existem várias formas de quantificar a resistência da madeira ao choque, sendo que a norma brasileira prevê o ensaio de flexão dinâmica para determina-la. 4. FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DA MADEIRA Pelo fato da madeira ser um material de origem biológica, está sujeita a variações na sua estrutura que podem acarretar mudanças nas suas propriedade. Estas mudanças são resultantes de três fatores principais: anatômicos, ambientais e de utilização. 4.1. Fatores anatômicos Densidade Quanto maior a densidade, maior é a quantidade de madeira por volume e como conseqüência a resistência também aumenta. Alguns cuidados devem ser tomados com valores da densidade, pois, a presença de nós, resinas e extratos pode aumentar a densidade sem contudo contribuir para uma melhoria significativa na resistência. Outro fator importante a ser destacado refere-se a umidade da madeira quando determinada a densidade, como descrito no item 8.3.1. Inclinação das fibras A inclinação das fibras tam uma influência significativa sobre as propriedades da madeira a partir de certos valores. Esta inclinação descreve o desvio da orientação das fibras da madeira em relação a uma linha paralela à borda da peça. A norma brasileira permite desconsiderar a influência da inclinação das fibras para ângulos de até 6o. A partir deste valor deve-se verificar a variação das propriedades da madeira pela fórmula de Hankinson, apresentada no item 8.4.2. Nós Os nós são originários dos galhos existentes nos troncos da madeira após o desbaste dos mesmos. Existem dois tipos de nós, os soltos e os firmes. Ambos reduzem a resistência da madeira pelo fato de interromperem a continuidade e direção das fibras. também podem causar efeitos localizados de tensão concentrada. A influência de um nó depende do seu tamanho, localização, forma, firmeza e do tipo de tensão considerada. No geral os nós têm maior influência 16 na tração do que na compressão. Falhas naturais na madeira Dois tipos de falhas principais podem ocorrer devido a natureza da madeira. A primeira delas esta relacionada com o encurvamento do tronco e dos galhos durante o crescimento da árvore, alterando o alinhamento das fibras e podendo influenciar na resistência. Outro fator a ser observado é a presença de alburno, que por suas próprias características físicas apresenta valores de resistência menores. Presença de medula Quando a peça serrada contém a medula, provoca diminuição da resistência mecânica e facilita o ataque biológico. Podem também surgir rachaduras no cerne próximo a medula, decorrentes de fortes tensões internas devidas ao processamento. Faixas de parênquima As faixas de parênquima têm baixa densidade e pouca resistência mecânica. Quando presentes em elementos submetidos a compressão, estes podem entrar em ruína por separação dos anéis. 4.2. Defeitos por ataques biológicos Estes defeitos surgem dos ataques provenientes de fungos ou insetos. Os insetos causam as perfurações, que podem ser pequenas ou grandes,já os fungos causam manchas azuladas e podridões (clara ou parda). 4.3. Defeitos por secagem São originados pela deficiência dos sistemas de secagem e armazenamento das peças. Podem ser encanoamento, arquearnento, encurvamento, torcimento e rachadura, como mostra a figura 9. Figura 9 – Defeitos de secagem 17 4.4. Defeitos de processamento da madeira São defeitos originados na manipulação, transporte. armazenamento e desdobro da madeira. Destacam-se aqui dois defeitos principais: as arestas quebradas e a variação da seção transversal, como mostra a figura 10. Figura 10 - Defeitos de processamento 5. PRESERVAÇÃO DA MADEIRA A durabilidade das peças de madeira esta diretamente ligada à preservação de suas características. Diversos fatores alteram estas condições, tais como fungos, insetos que atacam o tecido lenhoso. A resistência à estes agentes depende da qualidade da madeira, localização dentro do lenho, presença de tanino, assim como de fatores externos como umidade, temperatura, arejamento, etc. Estes fatores podem ser combatidos através de produtos preservantes que irão provocar vida útil mais longa ao material. A madeira como material orgânico é atacada por organismos vivos sobrevivendo através dela. estes ataques provocam o apodrecimento. Os principais processos de preservação podem ser classificados em 1. processo de impregnação superficial 2. processo de impregnação por pressão reduzida 3. processo de impregnação por pressão elevada Independentemente do processo de preservação à ser utilizado, o primeiro fator à ser adotado é a secagem do produto, sendo necessário o descascamento do tronco, a retirada da seiva, trabalho das peças como bitolagem, furação, etc. Além de melhorar a qualidade do material, a secagem facilita a impregnação dos preservantes. Além disso a secagem em estufa possibilita a esterilização das peças eliminando parasitas e germes que ocasionam o apodrecimento. A retirada da casca provoca a eliminação de um local onde os fungos e insetos localizam-se preferencialmente. A desseivagem é uma prática muito antiga e importante no beneficiamento da madeira. Uma maneira eficiente é o transporte através do transporte em rio, onde a seiva é substituída por água, através da capilaridade e osmose. este processo facilita a posterior secagem visto que é mais fácil retirar a água que a seiva. 18 Os principais produtos preservantes são sempre tóxicos, fungicidas, inseticidas ou antimoluscos, diluídos em óleo ou água. Devem apresentar as seguinte características: alta toxidez à organismos xilófagos alto grau de retenção ao tecido lenhoso alta difusibilidade através do tecido lenhoso estabilidade incorrosivel para metais e para a própria madeira segurança aos operadores. Atualmente existem 4 preservantes de ação prolongada responsáveis por cerca de 80% da madeira tratada no mundo são eles: creosoto, pentaclorofenol, CCA ( cromo – cobre – arsênico), CCB (cromo, cloro boro). Os preservativosde aço temporária hidrossolúveis são os fungicidas e os inseticidas. Processo de impregnação artificial São processos de pinturas superficiais, ou por imersão das peças em preservantes. Este procedimento é econômico sendo recomendável somente em peças não expostas. Tanto na imersão como na pintura a impregnação dificilmente será superior à 2 ou 3mm, sendo suficiente para tratamento contra inseto e pequenas trincas e fendas. Processo de impregnação sob pressão reduzida Processo de impregnação por pressões naturais, conseguindo-se penetração em todo o alburno. pode ser efetuado de duas maneiras. a) Processo de dois banhos, um quente e outro frio. Em um recipiente é colocado o impregnaste aquecido à temperatura de ebulição da água, sendo as peças introduzidas neste líquido, ali ficando por quatro horas. Após este período as peças são retiradas e colocadas imediatamente no mesmo líquido, sendo entretanto frio por um período de 30 minutos. A expulsão do ar aquecido provoca força a entrada do impregnante através da pressão atmosférica sobre o vácuo relativo. E um processo bastante efetivo recomendado para topo de postes, mourões de cerca tanto na parte enterrada como na superior. b) Processo de substituição da seiva sendo possível somente em peças verdes sendo portanto um processo lento. As peças de madeira são imersas no imunizante havendo a troca da seiva por capilaridade e osmose. Uma peça de 15 cm de diâmetro por 3 metros de comprimento demora no verão aproximadamente 60 dias para estar imunizada. Processo de impregnação em autoclaves São os mais eficientes, normalmente indicado para peças que estarão sujeitas a diversos tipos de predadores. Existem dois processos clássicos: a) de células cheias, sendo as peças carregadas em autoclaves, sob vácuo de 70 cm de mercúrio 19 por duas horas. Com este processo é retirado o ar e a água do tecido lenhoso. Em seguida o madeira é exposto a banho do preservante sob pressão de 10 atm, durante três horas, sob uma temperatura entre 90 e 1000C. Finalmente o material é submetido à vácuo de 30 cm de mercúrio, por 30 minutos, a fim de retirar o excesso de preservante, que em geral é o creosoto. b) de células vazias, sendo as peças submetidas a uma pressão inicial de 3 atm, a seco, por noventa minutos. Após este período é aplicado um banho à pressão de 10 atm, sob temperatura de 90 à 1000C pelo tempo de três horas. Um novo vácuo é aplicado que retira todo preservante contido no material, pela expulsão do ar sob pressão inicialmente inserido. Em virtude da grande variabilidade da incidência de agentes biológicos de deterioração da madeira, bem como pela existência de espécies com boa durabilidade natural, recomenda-se, na falta de outras informações, os seguintes procedimentos mínimos de preservação: Dicotiledôneas: pincelamento Coníferas: impregnação em auto clave 6. APLICAÇÕES DE ALGUMAS MADEIRAS Para formas de concreto, escoramento, andaimes, etc.: pinho-do-parana, caxeta, tababuia Madeiramento de telhado: peroba–do-campo, ipê, peroba-rosa, jatobá Forros e beirais: peroba–do-campo, peroba–rosa, pinho-do-paraná, jequitibá, caxeta Pavimentação: peroba-alves, roxinho, óleo-vermelho, jatobá, pau-marfim, sucupira, canela Esqudrias: para receber pintura: cedro, canela, imbuia. Deve-se evitar peroba, sucupira e outras que segregam resinas; para receber verniz ou cera de acabamento: peroba do campo, imbuia, pau-marfim, pau-cetim Estacas de madeira: eucalípito, aroeira 7. MADEIRA TRANSFORMADA A madeira como já foi visto é um material heterogêneo e anisótropo. Os processos de transformação da madeira procuram alterar estas características tornando o material mais homogêneo. A madeira laminada é o corte da madeira em tábuas que são coladas com colas especiais, diminuindo a ocorrência de defeitos nas peças. Á medida que as tábuas vão sendo cortada mais finas, tornando-se lâminas, estas peças podem ser coladas ortogonalmente sendo chamadas então de madeira compensada ou contraplacados. A madeira quando destruída como resíduos de madeira cortada ou serrada, podem ser reconstituídas com resinas e colas especais, sob pressão são chamadas de aglomerados. Finalmente as madeiras reconstituídas que são aquelas oriundas de uma fragmentação mecânica, onde o tecido é reduzida à polpa dispersa, passando depois por uma reaglomeração sob pressão, utilizando-se de resinas e colas, dando origem a um material onde as fibras não têm direção 20 principal. Este material que tem a mesma textura da madeira pode ser submetido a diversas alterações com aplicação de produtos como os plásticos de madeira, do tipo baquelite, plásticos de papel, que são papéis de alta resistência associados como os contraplacados, através de uma resina resistente, resistindo à forças de tração da ordem de 2500 kg/cm2. A madeira compensada é o conjunto de lâminas ou mais, coladas entre si de tal modo que as direções das fibras se alternem em ângulo reto. O número de lâminas é sempre um impar. Este processo visa uma distribuição das diferenças de contrações e de resistência mecânica decorrentes dos sentidos diferentes das fibras. Há então uma compensação de esforços. Daí o nome. As principais vantagens da madeira compensada são: Resistência uniforme ao longo da peça Eliminação de contração e conseqüentemente, do aparecimento de fendas e empenamentos Obtenção de chapas de tamanhos variados até 2,2 x 1,6 m, o que seria impraticável com madeira serrada Melhor aproveitamento da madeira. O desdobramento de uma tora dá um rendimento de 70%, enquanto que com o compensado obtêm-se 90% Aplicações: Na construção civil: formas para concreto, portas, forros, lambris, divisórias Outros empregos:em aviões, fabricação de móveis e caixas de acondicionamento 8. ESPECIFICAÇÃO PARA COMPRA 8.1. Madeira serrada O pedido de compra deverá conter as seguintes informações: Espécie da madeira Exemplo: Canela, Ipê, Sucupira, Pinho do Paraná, Eucalíto, etc. Tipo de madeira Exemplo: ripa, tábua, pranchão, etc. Dimensões: Especificar a bitola (espessura x largura) e o comprimento mínimo ou exato das peças. Atendimento às normas da ABNT Especificar os números das normas que devem ser atendidas pelo fabricante. Por exemplo: NBR 7203 – Madeira serrada e beneficiada; NBR 12498 – Madeira serrada de coníferas provenientes de reflorestamento para uso geral – Dimensões e lotes; NBR 9487 – Classificação de madeira serrada de folhosas; Especificação do Contratante. 21 Verificação e Ensaio de Recebimento Verificações / Ensaios Lote / Amostra Tolerância Recomendação Verificar quantidade, através de contagem com romaneio. Toda a entrega --- Acertar com o fornecedor qualquer diferença na quantidade. Verificar visualmente os defeitos: Furos; Podridão; Nós; Falha. Toda a entrega --- Não aceitar os produtos que apresentem defeitos. Verificar empenamento. (Ver Figura 11) Lote: uma entrega com mesmas características. Amostra: 5% das peças de cada lote Tolerância do encurvamento e arqueamento: até 5mm / metro Tolerância do encanoamento: 4mm Tolerância de peças defeituosas: 10% das peças. Caso a amostra apresente problemas em 11 a 30% das peças, repetir o ensaio. Tolerância de peças defeituosas da 2 ª amostragem: 10% das peças. Caso a 2 ª amostra apresente mais que 10% de peças defeituosas, rejeitar o lote. Aceitar o lote Repetir o ensaio Aceitar o loteRejeitar o lote Caso a segunda amostra seja rejeitada, pode-se verificar todo o lote e devolver os produtos que não atendam às exigências definidas no pedido de compra. Verificar dimensões (comprimento, largura, espessura) Tolerância do comprimento: + 50mm Tolerância da largura e espessura: + 4mm. Tolerância de peças defeituosas: a mesma do item anterior. O mesmo do item anterior Verificar tipo da madeira, através de comparação com amostra Tolerância de peças fora de especificação: a mesma do item anterior. O mesmo do item anterior Figura 11 – Limites máximos para aceitação de peças de madeira serrada com defeitos de secagem 5 mm/metro 4 mm = 5 mm/metroMáximo = 5mm/metro Máximo = 5mm/metro Máximo = 4mm ENCANOAMENTO ENCURVAMENTO ARQUEAMENTO 22 Manuseio e Armazenamento As peças de madeira devem ser estocadas da seguinte maneira: Armazenar em local plano e protegido contra exposição direta à chuva e ao sol, para não empenar (cobrir com lona ou tábuas em posição inclinada para desviar a chuva); Empilhar na posição horizontal sobre pontaletes de madeira, com altura não superior a 1,00m; Armazenar separadamente os diferentes tipos (ripa, ripão, etc) e por dimensão. 8.2. Chapas de Madeira compensada As chapas de madeira compensada para formas de concreto devem atender às disposições (requisitos) da norma NBR9532 – Chapas de Madeira Compensada – Especificação, exceto para formação de lotes deste material. O pedido de compra deverá conter as seguintes informações: Tipo de chapa (resinada ou plastificada) e dimensões desejadas pela obra. Número de norma pertinente (NBR9532). Número mínimo de reaproveitamento da forma garantido pelo fabricante. Aviso esclarecendo que as chapas de madeira compensada não devem apresentar defeitos sistemáticos, tais como desvios dimensionais, desvios no esquadro, número de lâminas inadequado à sua espessura, defeitos superficiais ou defeitos nas bordas. Aviso constando que as chapas que não atenderem às especificações serão devolvidas. Aviso esclarecendo que a partida será aceita com a observação de que na obra haverá checagem do lote quanto à resistência à água, podendo este ser rejeitado num prazo de 48 horas em caso de reprovação no teste. Formação de lotes Cada entrega será considerada um lote desde que não exceda a 250 chapas. Caso exceda a esta quantidade, o carregamento será dividido de tal forma que resultem lotes aproximadamente iguais e, ao mesmo tempo, com menos de 250 chapas. A amostra a ser retirada de cada lote será formada por 13 chapas escolhidas aleatoriamente. Verificação e ensaios O controle será executado em obra verificando-se as chapas conforme orientações e limites apresentados na tabela abaixo. As verificações devem ser feitas nas 13 chapas que compõem a amostra, anotando-se, para cada verificação, o número de chapas defeituosas encontradas. 23 Verificação dimensionais e visuais Característica Tolerância Equipamento ou meio de verificação Comprimento ± 2mm Trena metálica com precisão de 1mm, tomando-se a medida no meio da chapa. Largura ± 2mm Trena metálica com precisão de 1mm, tomando-se a medida no meio da chapa Espessura ± 1mm Paquímetro com precisão de 0,1mm, tomando-se a medida num ponto sem defeitos visuais, a pelo menos 30mm da borda da chapa Esquadro (chapa 1,22x2,44) diagonal = 272,8mm (chapa 1,10x2,20) diagonal = 246 mm ± 5mm Trena metálica com precisão de 1mm, tomando-se as medidas nas diagonais da chapa Presença de emendas Resinado: em até duas emendas tanto na face quanto na contraface Plastificado: máximo de 1 emenda por chapa Verificação visual Aspecto superficial Resinado: faces firmes, sem falhas que prejudiquem seu uso Plastificado: filme contínuo, liso e sem falhas ou incrustações Verificação visual Aspecto das bordas Devem estar seladas sem apresentar descolamento das lâminas Verificação visual Número de Lâminas Característica Tolerância Equipamento ou meio de verificação Número de lâminas * Chapas de 6mm Chapas de 9 ou 12mm Chapas de 18mm Chapas de 21mm Nº de lâminas = 3 Nº de lâminas = 5 Nº de lâminas = 7 Nº de lâminas = 9 Contagem visual pela borda da chapa. 24 Resistência à água Característica Tolerância Equipamento ou meio de verificação Resistência à água Não devem apresentar descolamento das lâminas após imersão ou fervura em água Tomar uma chapa de amostra e retirar 10 corposdeprova de 10x10cm. Imergílos em água limpa por 12 horas, deixar secando ao sol por 12 horas e imergílos novamente por mais 12 horas. Havendo disponibilidade de fogareiro, este teste, que tem 36 horas de duração, pode ser substituído pela fervura dos corpos de prova em água limpa por 10 minutos Critérios de aceitação Verificações dimensionais e visuais Aceitar o lote inteiro caso não sejam encontradas chapas defeituosas. Se houver quatro ou mais peças com defeito, rejeitar o lote. Encontrando-se até 3 peças com defeito, inspecionar uma segunda amostra formada por mais 13 chapas. Nesse caso, para aceitação do lote, o número total de chapas defeituosas em duas amostras somadas deve ser menor ou igual a três. Em caso de rejeição na segunda amostragem, inspecionar o lote inteiro e devolver as chapas defeituosas. Número de lâminas Retirar uma chapa da amostra de 13 chapas e verificar, conforme a tabela. Aceitar o lote caso o número esteja de acordo com o mínimo estabelecido. Rejeitar o lote caso contrário. Resistência à água O lote será aceito se nove dos dez corpos-de-prova passarem no teste. Caso seja reprovado, o lote inteiro deve ser devolvido. Armazenamento Estocar as chapas em local seco, ventilado, nivelado e longe do intemperismo. As chapas deverão ser coladas na posição horizontal sobre três pontaletes de madeira, posicionados no centro da chapa e a 10cm de cada uma das bordas, evitando-se contato com o piso, conforme figura 12. No caso de armazenamento em lajes, verificar sua capacidade de resistência para evitar sobrecarga. Em lajes usuais, a pilha não deverá exceder a 40cm de altura. É recomendável que a data de entrega e o local de estocagem sejam planejados com antecedência, de forma a evitar a pré-estocagem em locais inadequados, interferência com outros serviços de obra ou a necessidade de transporte horizontal interno. 25 Figura 1 – Armazenamento de chapas de compensado Manuseio Cuidado para não jogar a chapa e danificar as bordas na estocagem Verificar o estado do disco da serra circular antes de cortar a chapa.