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PATOLOGIAS NAS ESTRUTURAS EM MADEIRA UNIDADE I DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA Elaboração Vinícius Sandovani da Silva Alves Produção Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração SUMÁRIO UNIDADE I DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA ......................................................................................5 CAPÍTULO 1 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA .............................................................................. 6 CAPÍTULO 2 A MADEIRA COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO ......................................................................................................... 14 CAPÍTULO 3 SINTOMATOLOGIA NAS ESTRUTURAS DE MADEIRA................................................................................................... 22 REFERÊNCIAS ...............................................................................................................................................28 4 5 UNIDADE I DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA A madeira foi um dos primeiros materiais utilizados pela humanidade, servindo para diversas funções, dentre elas, defesa, aquecimento, embarcações e abrigos. A disponibilidade e a facilidade de manuseio, não necessitando de ferramentas complexas para moldá-la, tornaram-na um dos principais elementos construtivos na Antiguidade. Como exemplo de construções temporárias usadas na antiguidade, podem-se citar as cabanas, formadas por uma estrutura de ramos ou canas e vedada com peles de animais, argila ou colmo (LOURENÇO; BRANCO, 2012). Figura 1. Construções pré-históricas. Fonte: Lourenço; Branco, 2012. A madeira é um material de boa resistência (à tração e à compressão), leve, com bom isolamento térmico e que pode ser facilmente trabalhado. Apesar de a madeira ser utilizado como material de construção desde tempos remotos, somente na primeira metade do século XX foram estabelecidas as primeiras teorias e técnicas relacionadas a estruturas de madeira (PFEIL; PFEIL, 2003). Desde então, as pesquisas desse elemento têm se intensificado, demonstrando cada vez mais as características que o tornam um ótimo elemento construtivo. 6 CAPÍTULO 1 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA A madeira é um material, natural ou industrializado, derivado do lenho das árvores, que é utilizado de diferentes formas na construção civil tanto com funções temporárias (como fôrmas para concreto, escoras e andaimes) quanto de forma definitiva em estruturas e elementos de vedação (PFEIL; PFEIL, 2003). Para cada função, são exigidas diferentes propriedades do material a ser utilizado, os quais variam conforme diversos fatores, como as características do vegetal e forma de desdobro. 1.1. Fisiologia da árvore Fisiologia vegetal é o ramo que estuda os elementos e as funções realizadas pelos vegetais necessários para seu desenvolvimento e crescimento (NISGOSKI, 2016). A árvore é um organismo vivo autótrofo, ou seja, produz seu alimento por meio da fotossíntese. Para que possam realizar suas atividades fisiológicas, necessárias durante toda sua vida, as árvores apresentam uma série de tecidos vegetais, de diferentes tipos e com diferentes funcionalidades. Tecido celular pode ser definido como um conjunto de células, iguais ou distintas, responsáveis por realizar alguma atividade fisiológica da árvore. As principais funções fisiológicas dos vegetais podem ser divididas em: crescimento, sustentação, proteção e nutrição (que pode ser segmentada em duas fases: produção e armazenamento dos nutrientes e condução dos produtos gerados). 1.2. Crescimento A célula responsável pelo crescimento da árvore desde sua fase de semente até que atinja a idade suficiente para que possa ser cortada é chamada de meristema. Essa célula realiza sucessivas divisões e/ou diferenciações, de modo a permitir que a árvore ganhe largura e altura (SANTOS, 20--a; NISGOSKI, 2016). O meristema pode ser dividido de diversas maneiras, sendo classificados segundo a origem em: » meristema primário: relacionados ao crescimento primário do vegetal, sendo responsáveis pela formação das células embrionárias, que formarão diferentes células na árvore (SANTOS, 20--a). Para Nisgoski (2016), essas células estão presentes em grandes quantidades no vegetal jovem, sendo responsáveis, principalmente, pela altura, pelo ápice do tronco e pelos ramos; 7 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I » meristema secundário: formam tecidos secundários, ou seja, tecidos derivados de células que já sofreram alguma diferenciação (SANTOS, 20--a). São responsáveis pelo alargamento da árvore (ganho de espessura) e se localizam nas laterais dos troncos (NISGOSKI, 2016). 1.3. Sustentação Sustentação é a propriedade da árvore de se manter estável, enquanto cresce, não quebrando quando solicitada por alguma ação. Nas coníferas, os responsáveis pela sustentação são os traqueoides axiais e nas folhosas, as fibras (NISGOSKI, 2016). Essa sustentação é garantida, principalmente, por dois tecidos: » esclerênquima: tecido que na maturidade é formado, em regra, por células mortas. Pela etimologia da palavra, derivada do grego skleros, significa duro, sendo a rigidez uma característica marcante desse tecido (SANTOS, 20--b). Pode estar presente em vários órgãos da árvore tanto em regiões periféricas quanto nas camadas internas. Dividindo-se, basicamente, em dois tipos de células: fibras e esclereides (NISGOSKI, 2016); » colênquima: tecido formado por células vivas na maturidade (capazes de retomar as atividades meristemáticas). Pela etimologia da palavra, derivada do grego colla, significa substância glutinosa, em que a justificativa para tal nome é devido a sua espessura fina e aspecto brilhante (SANTOS, 20--b). Localiza-se na epiderme e sua função principal é a sustentação dos órgãos e das regiões em crescimento primário, que ficam sujeitas a movimentos constantes (NISGOSKI, 2016). 1.4. Proteção Para que a árvore possa crescer e se desenvolver, é importante que ela resista aos ataques dos diversos agentes externos a que está sujeita. Os tecidos responsáveis por essa função são, principalmente: » epiderme: camada com função principal de revestimento do vegetal no estágio primário, protegendo contra ataques de agentes, choques mecânicos e radiação solar. Além da função de proteção, restringe a perda de água, realiza trocas gasosas e absorve água e sais (NISGOSKI, 2016); » periderme: quando raízes e caules apresentam crescimento secundário, em regra, esse tecido substitui a epiderme (NISGOSKI, 2016). Divide-se nos seguintes tecidos: › súber ou felema: tecido mais externo da periderme, com células compactas e, quando maturas, formam paredes suberizadas, que têm função de proteção e impermeabilização (SANTOS, 20--c); 8 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA › câmbio do súber ou felogênio: ocorre próximo à superfície dos órgãos e apresenta crescimento secundário. Em regra, fica ativo apenas uma vez durante a vida do vegetal (SANTOS, 20--c); › feloderme: em algumas árvores, pode estar em pequena quantidade ou mesmo ausente (NISGOSKI, 2016). Tecido interno da periderme, formado por células parenquimáticas (SANTOS, 20--c). 1.4.1. Condução de água e nutrientes A água e demais substâncias são retiradas do solo pelas raízes. Essas substâncias ascendem até as demais partes da planta na forma de seiva bruta pelas regiões externas do alburno (xilema). Quando essa seiva atinge regiões que possuem clorofila, é transformada em produtos nutritivos (seiva elaborada) pelo processo de fotossíntese. Posteriormente, a seiva elaborada formada desce para as regiões inferiores da árvore, pela parte interna (floema), principalmente por tubos crivados nas angiospermas ou células crivadas nas gimnospermas (NISGOSKI, 2016). 1.4.2. Produção e armazenamento dos nutrientes A seiva elabora é formadapor água, açúcares e reguladores, sendo produzida pelos órgãos do vegetal que possuem clorofila, em especial as folhas, por meio do processo de fotossíntese. Apesar de, em casos excepcionais, as fibras, que possuem função primordial de sustentação, principalmente quando septadas, armazenarem seiva elaborada, os produtos nutritivos produzidos são (em regra) armazenados nos tecidos parenquimáticos (NISGOSKI, 2016). Os tecidos parenquimáticos são tecidos vivos, com capacidade de ainda se dividir, mesmo que as células estejam completamente diferenciadas. O parênquima é de suma importância para o vegetal, sendo essencial para diversas atividades fisiológicas, como reserva, fotossíntese, transporte e secreção (NISGOSKI, 2016). Segundo Cardoso (20--), o tecido parenquimático se divide em: » de preenchimento: preenche diversas regiões da árvore, principalmente, caule e raiz; » clorofiliano: realiza a fotossíntese; » de reserva: armazena os produtos gerados pelos tecidos clorofilianos; » aquífero: responsável pelo armazenamento de água; » amilífero: responsável pelo armazenamento de amido; » aerífero: responsável pelo armazenamento de ar. 9 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I 1.4.3. Anatomia da madeira Para Paula e Valeri (2016), a árvore pode ser dividida em três partes: » raiz: além da função de fixação da planta ao solo, retira os nutrientes necessários ao crescimento e desenvolvimento do vegetal; » caule: parte de maior importância econômica, de onde é retirada a madeira. Tem importantes funções na árvore, dentre elas: sustentação, condução da seiva e reserva de nutrientes; » copa: região da árvore onde se encontram folhas, flores, ramos e frutos. Acontecem principalmente na copa a respiração (nas folhas), a fotossíntese (nas folhas) e a reprodução (frutos e flores). A análise da madeira pode ser dividida em três visões: macroestrutura, microestrutura e estrutura molecular. 1.4.4. Macroestrutura A macroestrutura está relacionada às diferentes camadas e aos elementos que formam a árvore. Essa caracterização é de suma importância, visto que as camadas apresentam propriedades diversas que, conforme o modo de extração, influenciarão na qualidade da madeira. Figura 2. Principais elementos formadores da macroestrutura da madeira. Medula Radial Transversal Tangencial Cerne Alburno Casca interna Casca externa Anéis de crescimento Fonte: Nisgoski, 2016. 10 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA O caule da árvore pode ser dividido, sob o aspecto da macroestrutura, nas seguintes camadas: » casca: divide-se em duas camadas: › camada interna: composta pelo floema, responsável pelo transporte da seiva elaborada (NISGOSKI, 2016) e pela proteção do xilema (PAULA; VALERI, 2016); › camada externa: composta pelos tecidos que revestem o tronco (córtex, periderme e ritidoma) (NISGOSKI, 2016). É uma parte morta da árvore, responsável principalmente pela proteção da árvore contra ataques externos (PFEIL; PFEIL, 2003). » lenho: localizado entre a casca e a medula. Parte mais importante da árvore, de onde se retira a madeira, em regra. Além de ser responsável pela sustentação, também conduz e armazena a seiva bruta (PAULA; VALERI, 2016). No lenho estão presentes: › alburno ou branco: segundo Pfeil e Pfeil (2003), é a camada formada por células vivas que conduzem a seiva bruta das raízes para as folhas; › cerne ou durâmen: é a parte do lenho mais densa, que, devido principalmente à deposição ou inclusão de substâncias nos seus vazios, não exerce mais suas funções fisiológicas, resultando também em uma madeira mais escura que o alburno (NISGOSKI, 2016). A madeira deve ser extraída preferencialmente do cerne, que é mais denso e durável. Mas, para que se possa aproveitar o máximo da árvore e dependendo do tipo de desdobramento do tronco utilizado (falaremos mais a frente), serão retiradas peças do alburno. Como este é mais poroso, apresenta maior facilidade de penetração dos preservativos, contudo absorve maior quantidade de água e é mais suscetível ao ataque de microrganismo (PFEIL; PFEIL, 2003). » Anéis de crescimento: as árvores são organismos exogênicos, ou seja, o mecanismo de crescimento é por meio da adição de camadas externas sob a casca. Em climas frios e temperados, os troncos crescem, conforme a estação, de maneira diferenciada (intenso na primavera e no início do verão e lento no final do verão e do outono), gerando anéis anuais com duas camadas (clara: primavera e escura: outono) que permitem a possibilidade de determinar a idade das plantas. Esse fenômeno é observado principalmente nas coníferas. No clima equatorial, em regra, a diferença entre as duas camadas nas árvores não é perceptível (PFEIL; PFEIL, 2003). O número e a espessura dos anéis influenciarão a qualidade da madeira derivada dessa árvore, sendo que uma maior quantidade de anéis gerará um produto mais denso e de qualidade superior (NISGOSKI, 2016). 11 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I » Medula: tecido macio, em torno do qual ocorre o primeiro crescimento da madeira (PFEIL; PFEIL, 2003). A medula tem a função de armazenamento da seiva elaborada. Nas plantas jovens, a medula também realiza o transporte da seiva bruta. Como possui tecido parenquimático, que armazena seiva elaborada, é uma região altamente suscetível ao ataque de agentes biológicos (NISGOSKI, 2016). » Câmbio: composto por uma camada de células meristemáticas (capazes de gerar células novas) entre o floema e xilema, que são invisíveis ao olho nu. Fica ativo durante toda a vida da árvore e vai ser responsável pela formação dos tecidos secundários que formam o xilema e o floema (NISGOSKI, 2016). 1.4.5. Microestrutura O estudo sob o ponto de vista da microestrutura da madeira analisa as diversas células e tecidos que formam a madeira. Segundo Brito (2014), em regra, as coníferas apresentam prioritariamente raios medulares e traqueoides, enquanto as folhosas possuem fibras, parênquima, vasos e raios medulares. Os principais elementos da madeira, sob o ponto de vista da microestrutura, são: » fibras: presentes nas árvores frondosas, são as principais células formadoras do lenho, tendo forma alongada e vazios internos (BRITO, 2014). Distribuem- se em anéis, formando os ciclos anuais de crescimento. Como são fechadas nas extremidades, realizam apenas a função de sustentação (PFEIL; PFEIL, 2003); » vasos ou canais: são células de grande diâmetro, com extremidades abertas e justapostas, responsáveis pela condução de seiva em árvores frondosas (PFEIL; PFEIL, 2003); » traqueoides: é uma célula longa, presente nas gimnospermas, com comprimento de 3 a 4mm e diâmetro entre 20 e 40 µm (NISGOSKI, 2016). Responsável por duas funções fisiológicas vitais: elemento portante do vegetal (sustentação) e condução da seiva bruta (BRITO, 2014); » raios medulares: dispostos em faixas horizontais, sendo seu eixo longitudinal perpendicular ao eixo da árvore. Formados por células parenquimáticas, que têm a função de armazenar os produtos nutritivos gerados pela planta (NISGOSKI, 2016). Além de armazenar o material nutritivo não usado na formação da célula, é responsável por transportá-lo para o interior do lenho (BRITO, 2014). 12 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA 1.4.6. Estrutura molecular Do ponto de vista molecular, são analisados os compostos formadores dos elementos constituintes da madeira. Independentemente da espécie analisada, para Pfeil e Pfeil (2003), os compostos que formam a madeira são em sua maioria substâncias orgânicas. Os principais compostos orgânicos presentes na madeira são: » celulose: componente estrutural da parede celular. Composto químico de cadeia longa e delgada, com características cristalinas, formado por repetidas ligações de moléculas de glicose pelas extremidades (NISGOSKI, 2016). Presente em diversasregiões da madeira, principalmente nas paredes dos vasos, fibras e traqueoides (BRITO, 2014). Representa cerca de 50% da madeira (PFEIL; PFEIL, 2003); » componentes subestruturais: › hemiceluloses ou policeluloses: compõem de 20 a 25% da madeira (PFEIL; PFEIL, 2003). São diferentes polímeros amorfos com propriedades diversas. Quando a molécula destes é associada a cadeias de policeluloses são denominados de microfibrila (BRITO, 2014); › lignina: compõe de 20 a 30% da madeira (PFEIL; PFEIL, 2003). É um polímero complexo, amorfo e rígido, que tem a função de reforço e suporte mecânico às paredes das células (NISGOSKI, 2016). Além dos componentes citados, estão presentes outros, como resinas, óleos e ceras, que são depositados nos vazios das células e produzem características singulares para cada espécie, como cor e cheiro (PFEIL; PFEIL, 2003). 1.4.7. Classificação das árvores Para Pfeil e Pfeil (2003), as madeiras podem ser classificadas, conforme a estrutura celular dos troncos, em madeira dura ou macia. Essa classificação considera principalmente a densidade celular da madeira e não a resistência em si. Logo, mesmo que, em regra, as duras tenham resistência superior, é possível que uma madeira macia (Pinus Taeda: fc0= 44,4 MPa) tenha resistência superior a uma dura (Cedro doce: fc0= 31,5 MPa). » Duras: originadas principalmente das árvores denominadas de frondosas/dicotiledôneas, da classe Angiosperma. Essas madeiras são popularmente classificadas como “madeira de lei” (PFEIL; PFEIL, 2003). As angiospermas são árvores em que a semente é protegida por um fruto. Também chamadas de folhosas ou frondosas, em que, de acordo com Nisgoski (2016), a 13 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I denominação como madeira dura é derivada do seu nome em inglês hardwood (tradução literal = madeira dura). “Madeira de lei”: essa expressão surgiu ainda quando o Brasil era Colônia de Portugal, no século XVIII, e não se refere a uma definição técnica. Na época, para proteger as árvores de interesse do império, a legislação imperial determinava quais as árvores não poderiam ser retiradas, como o Pau-Brasil. Como a maioria das árvores era do tipo dura, a expressão virou, popularmente, sinônimo de árvores oriundas de madeiras frondosas e de boa qualidade (COLIN, 2011). » Macias: originadas, em geral, de árvores coníferas, da classe Gimnosperma. As gimnospermas são árvores de crescimento rápido e folhas em forma de agulha (PFEIL; PFEIL, 2003). Essas árvores não apresentam frutos verdadeiros e a denominação como macias vem de seu nome em inglês softwood (tradução literal = madeira macia). Apresentam poucas espécies nativas no Brasil; apenas duas espécies arbóreas produzem madeira utilizável (Araucária e Podocarpus). Mesmo com limitado número de espécies no país, são de suma importância, principalmente devido às espécies introduzidas para fins ornamentais (Cupressus) e madeireiros (Pinus) (NISGOSKI, 2016). › As gimnospermas dividem-se em quatro grupos: cicadáceas, ginkgos, gnetófitas e coníferas: as coníferas são o grupo mais importante tanto em número quanto em distribuição, sendo sua maior representante o Pinus, árvore que ocupa grandes extensões e de madeira muito utilizada em diversas partes do mundo. Um erro comum é utilizar a classificação de gimnospermas como sinônimo de coníferas, quando coníferas são apenas um dos grupos da classe de gimnospermas. 14 CAPÍTULO 2 A MADEIRA COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO A madeira é utilizada em diversos setores da construção civil há muitos séculos. Sua elevada resistência, associada ao seu reduzido peso específico e facilidade de modelagem, torna esse material ideal para o uso em estruturas. Além de elemento estrutural, a madeira é muito utilizada em estruturas temporárias, como fôrmas para concreto armado, vigamento de apoio de fôrmas e em escoramentos (PFEIL; PFEIL, 2003). Ao longo do tempo, vários sistemas estruturais foram criados para que se pudesse utilizar o máximo potencial da madeira na construção civil. Essa evolução levou à criação de diversos produtos industrializados, que permitiram minimizar seus defeitos, maximizar suas qualidades, padronizar suas propriedades, permitindo a diversificação ainda maior no uso da madeira. Sobre o momento do abate, quanto mais velha a árvore, maior a formação de cerne, material mais rígido e de melhor qualidade que o alburno. Assim, o ideal é sempre esperar que a árvore atinja a maturidade, situação em que seu tronco será ocupado em maior percentual pelo cerne (PFEIL; PFEIL, 2003). A madeira utilizada na construção civil pode ser derivada da madeira maciça retirada do caule da árvore e divide-se em: madeira bruta ou roliça, madeira falquejada e madeira serrada. Já o material que passou por algum processo industrial divide-se em: madeira compensada, madeira laminada colada e madeira recomposta. 2.1. Madeira maciça Madeiras maciças são todas as peças derivadas do tronco de árvores que não sofreram nenhum processo industrial, variando entre seus tipos somente pelo modo de retirada ou corte. 2.1.1. Madeira bruta ou roliça A madeira bruta é utilizada principalmente em construções provisórias como escoramento. No Brasil, são derivadas, sobretudo, das árvores pinho-do-paraná e eucalipto. A madeira roliça ou bruta é aquela que não passa por muitos processos após sua extração, geralmente só é retirada a casca e deixado o tronco secar em local arejado e protegido contra o sol (PFEIL; PFEIL, 2003). Devido à presença de fibras longitudinais expostas nas seções de corte da peça, a secagem nestas regiões pode ser mais rápida do que no resto do material. Isto levará a variações 15 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I volumétricas diferenciadas na peça, com uma retração mais rápida nas extremidades, favorecendo a formação de fendas (fendilhamento) no tronco. Pfeil e Pfeil (2003) recomendam, para evitar este fendilhamento, a utilização de algum material que retarde esta evaporação nas extremidades, como alcatrão ou outro impermeabilizante. 2.1.2. Madeira falquejada Falquejamento é o “ato de lapidar, retirar o grosso, com o machado para esquadrar” (FALQUEJAMENTO, 2020). Logo, nesse tipo de elemento, além da retirada dos troncos da árvore, o acabamento é realizado usando um machado. É um trabalho mais rústico e as seções maciças falquejadas dependerão do diâmetro do tronco do qual são oriundas. Nessa peça, a qualidade da madeira dependerá da qualidade do operador. 2.1.3. Madeira serrada A madeira serrada é aquela que, após o corte da árvore, passa por um processo de desdobramento por meio de uma serra. O desdobramento é o corte longitudinal do tronco com serras especiais, dividindo-o em peças de diferentes seções (como vigas, vigotas e caibros). Esse desdobramento pode ocorrer de diversas maneiras. Os principais tipos são: paralelo, tangencial, radial e misto. O mais utilizado é o paralelo, devido à maior produtividade, contudo o que produz peças mais homogêneas é o desdobro radial (PFEIL; PFEIL, 2003). Figura 3. Tipos de desdobro. Corte paralelo Corte tangencial Corte radial Corte misto Fonte: Meu espaço móveis, 20--. Com o avanço tecnológico e as pesquisas com a madeira, surgiram diversos tipos de desdobro. Cada um apresenta suas vantagens e desvantagens, sendo indicado para diferentes tipos de madeira ou produtos a serem construídos. Para saber mais sobre os tipos de desdobro, acesse: https://www.archdaily.com.br/br/894421/distintas- utilidades-e-aparencias-conforme-o-corte-do-tronco-de-madeira. Franco (2018). https://www.archdaily.com.br/br/894421/distintas-utilidades-e-aparencias-conforme-o-corte-do-tronco-de-madeira https://www.archdaily.com.br/br/894421/distintas-utilidades-e-aparencias-conforme-o-corte-do-tronco-de-madeira 16 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA Geralmente, as serras especiais utilizadas são de fita, pois possuemcomandos mecânicos que garantem a espessura homogênea da peça. Por questões operacionais (transporte e manejo), as toras têm seu comprimento limitado entre 4 e 6 metros (PFEIL; PFEIL, 2003). Para que se evite a influencia da secagem, o ideal é que o desdobro ocorra tão logo a árvore seja cortada. Mas, como o desdobro do tronco pode gerar peças com diferentes propriedades, podem-se ter, durante a secagem, deformações transversais diferentes. Para evitar tais problemas, Pfeil e Pfeil (2003) sugerem que, após o desdobro, a peça seja posta para secagem antes que seja utilizada na construção. Na utilização de peças de madeira em sistemas estruturais, o ideal, caso seja usada madeira maciça, é que se utilizem madeiras serradas, principalmente devido à sua padronização de seção no corte. Já a madeira roliça depende das características do tronco, e a madeira falquejada é retirada por um processo manual que não permite garantir confiavelmente uma seção uniforme em toda a peça. Contudo, podem-se ter estruturas usando os dois tipos de madeira, porém deve ser considerada essa variação de seção no dimensionamento. 2.2. Madeira industrializada Madeira industrializada é toda aquela que passa por processos adicionais ao de abate e desdobro, ou seja, a madeira não será utiliza in natura. Todos os processos envolvem, pelo menos, uma fase de colagem. A colagem é realizada sob pressão, sendo que pode ser realizada por prensas a frio ou a quente, utilizando adesivos sintéticos ou naturais. 2.2.1. Madeira compensada A madeira compensada é um material formado pela colagem de lâminas de madeiras, de modo que as fibras de cada lâmina sejam perpendicularmente orientadas em relação às das placas adjacentes. As lâminas são, comumente, usadas em número ímpar (3 ou mais), podendo ser derivadas de toras ou peças serradas. A espessura das lâminas varia conforme o método de retirada, em que as principais são as faqueadas (0,6 a 1mm) e desenroladas (1,2 a 5mm). Na faqueada, a lâmina de madeira é retirada continuamente de uma prancha ou peça, já na desenrolada (ou torneada), a tora é fixada em garras e gira em direção a uma faca industrial (SANTOS; PINTO JÚNIOR., 20--). Como as fibras são coladas alternadamente, formando um ângulo reto, o material formado tem características menos anisotrópicas do que a madeira maciça. Logo, uma 17 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I das principais vantagens em relação à madeira maciça é a diminuição dos efeitos da anisotropia, resistindo melhor aos esforços em duas direções (biaxiais). Apesar do preço mais elevado, a madeira compensada apresenta uma série de vantagens em relação à maciça, dentre elas, Pfeil e Pfeil (2003) citam: possibilidade de padronizar o material, limitando os defeitos; redução do inchamento e retrações; maior resistência na direção normal às fibras; maior resistência à cravação de pregos, reduzindo número de trincas; e possibilidade de trabalhar com materiais com diferentes resistências, usando a madeira mais resistente (e mais cara) somente onde necessário. Figura 4. Métodos de extração de lâminas de madeira. Faqueadas Desenroladas ou torneadas Fonte: Madeireira Bernauer, 2017. 2.2.2. Madeira laminada colada A Madeira Laminada Colada (MLC) é um material engenheirado, utilizado em estruturas, resultante da colagem de lâminas selecionadas de madeira, com a direção das fibras das lâminas paralelas entre si. Essas lâminas são coladas com adesivos sintéticos (principalmente, poliuretano ou à base de resorcinol). Apesar de utilizarem algumas classes de folhosas, são usadas principalmente lamelas oriundas de árvores coníferas, que apresentam, em regra, maior facilidade de colagem (CALIL NETO, 2011). Como essa madeira é utilizada essencialmente para estruturas, sua fabricação é regida por rígidos padrões de qualidade, para que lhe possam garantir resistência e durabilidade necessárias (PFEIL; PFEIL, 2003). Apesar do seu preço superior ao da madeira serrada, a MLC apresenta uma série de vantagens sobre a madeira roliça, entre elas, Pfeil e Pfeil (2003) citam: possibilidade de fabricação de peças de grandes dimensões; como a secagem das lâminas é prévia a colagem, e é utilizada madeira selecionada, a peça fica menos sujeita a defeitos causados por secagem irregular; podem-se utilizar lâminas de melhor qualidade nas regiões da peça mais solicitadas, permitindo adequar a madeira à situação que será usada e reduzir 18 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA seu custo; e permite formar peças de eixos curvos, muito utilizadas em estruturas em arco, tribunas, cascas etc. A principal diferença entre a madeira laminada e a madeira compensada está na direção das fibras na colagem. Enquanto na laminada as lâminas são coladas com a direção das fibras paralelas entre elas, na compensada essas fibras são dispostas de modo que formem um ângulo reto com a direção das fibras subsequentes. Figura 5. Perfis da madeira serrada e laminada. Serrada Laminada Fonte: Pfeil; Pfeil (2003). 2.2.3. Madeira recomposta na forma de placas A madeira recomposta é uma material resultante da colagem sob pressão de resíduos de outros tipos de madeira, que são convertidos em partículas, flocos ou lamelas. Esse material, em regra, não apresenta resistência e durabilidade considerável, não sendo utilizado como elemento estrutural, mas é usado principalmente na indústria de móveis. Contudo, uma variação da madeira recomposta, denominada OSB (Oriented Strand Board), é utilizada como material estrutural, especialmente em painéis diafragma, almas de vigas I compostas, assim como em revestimentos de piso e cobertura (PFEIL; PFEIL, 2003). O OSB é um painel de partículas orientadas, formadas pela aglutinação, sob pressão, de lascas ou lamelas de madeira (em regra, de árvores de reflorestamento), utilizando resinas fenólicas. São formados por 3 a 5 camadas, com a direção das lascas formando um ângulo reto (90 graus) entre cada camada e as adjacentes. Esses painéis conseguem ter uma resistência considerável, próxima ao dos materiais compensados, porém com custo e peso inferiores a estes (principalmente por usar lascas de madeiras menos nobres) (REMADE, 2007). 19 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I 2.3. Propriedades físicas e mecânicas das peças de madeira Para utilizar a madeira na construção civil de maneira eficiente, é importante que se conheça as suas principais propriedades físicas e mecânicas, pois essas características serão determinantes para o comportamento do material na estrutura. Dentre as grandes vantagens na utilização da madeira em estruturas, está sua relação resistência/peso, que é consideravelmente superior ao aço e ao concreto (principais materiais utilizados como estrutura). Tabela 1. Propriedades físicas dos principais materiais. Material Massa específica - ρ (t/m³) Resistência - f (MPa) f/ρ Madeira a tração 0,5 – 1,2 30 – 110 60 – 90 Madeira a compressão 0,5 – 1,2 30 – 60 50 – 60 Aço a tração 7,85 250 32 Concreto a compressão 2,5 40 16 Fonte: Pfeil; Pfeil, 2003. 2.3.1. Anisotropia Um material anisotrópico (do grego aniso = desigual + tropos = direção) é aquele que apresenta propriedades físicas diferentes dependendo da direção analisada (longitudinal, radial e tangencial). Essa propriedade influenciará, consideravelmente, nas características da peça de madeira originada tanto na sua capacidade resistente quanto na formação de defeitos naturais. 2.3.2. Umidade A água pode estar presente na madeira de duas formas: no interior das células ocas e/ou absorvida pelas paredes das células. Contudo, somente a água presente na parede celular é capaz de afetar, consideravelmente, as propriedades mecânicas da madeira (resistência e elasticidade). Logo, as variações de umidade importantes, do ponto de vista estrutural, são aquelas abaixo do valor em que a água na célula oca seca por completo, restandoágua apenas nas paredes. Esse valor de umidade, que apresenta água somente nas paredes das células, é denominado de ponto de saturação ao ar (ou ponto de saturação da fibra), que varia entre 28 e 30% (REMADE, 2010). 20 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA Devido à higroscopia da madeira (capacidade de absorver água), a umidade varia continuamente durante seu tempo em serviço. Para que se possa padronizar as propriedades e assim compará-las e/ou usá-las no dimensionamento, além do problema de instabilidade dimensional para variações entre 0 e 30% de umidade, é recomendado secar a madeira até uma umidade em que suas propriedades e dimensões não sofram mais variações consideráveis. Esse valor é denominado de umidade seca ao ar ou umidade de equilíbrio, em que a pressão de vapor da água na madeira equipara-se à pressão atmosférica, não sendo possível evaporar mais água naturalmente. Segundo Galvão (1975), esse valor varia entre 10 e 13%, e que para padronizar, Pfeil e Pfeil (2003) citam que é utilizado um valor padrão de 12% como regra. 2.3.3. Variação volumétrica da madeira devido à umidade A variação volumétrica da madeira é uma propriedade diretamente relacionada à porosidade e à umidade. A madeira pode ter água absorvida nas paredes da fibra e no interior das fibras ocas. Quando se retira somente a água no interior da fibra, a madeira não sofre nenhuma variação, pois essa água encontrava-se livre no vazio. Logo a variação de umidade importante na análise das variações volumétricas é na faixa em que se começa a retirar a água das paredes da célula (entre 30 e 0%). Como a madeira é um material anisotrópico, a variação da umidade gera variações dimensionais diferentes nas três direções (tangencial, radial e longitudinal). A retração volumétrica ou inchamento da peça será o somatório das retrações/inchamentos em todas as direções, em que, considerando a secagem completa (30 a 0%), as variações possíveis para cada direção são apresentadas na figura 6 (PFEIL; PFEIL, 2003). Figura 6. Variação volumétrica da madeira devido à umidade. Vista isométrica, com as três direções principais e as faixas de valores de variação Diagrama de retração ou inchamento linear em função do teor de umidade (em que (1) = carvalho brasileiro; (2) = eucalipto; (3) = pinho brasileiro). ξt= 7% a 14% (tangencial) ξr= 3% a 6% (radial) ξl= 0,1% a 0,4% (longitudinal) ξt ξr ξl In ch am en to (% ) Fonte: Pfeil; Pfeil, 2003. 21 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I Dentre os diversos inconvenientes gerados pelas variações dimensionais nas peças de madeira, Galvão (1975) cita: destacamento ou danificação dos tacos (pisos de madeira); aparecimento de fissuras e trincas nas estruturas de suporte dos elementos de madeira; defeitos nas colagens, por variações dimensionais diferenciais entre as peças unidas; desprendimento de pregos ou danificação de parafusos por variações dimensionais ao longo do tempo; e travamento ou frestas maiores que previsto em portas e janelas. 2.3.4. Dilatação térmica A dilatação excessiva do material causa uma série de problemas ao sistema construtivo. Caso a peça não tenha espaço suficiente para sofrer essas variações, pode ocorrer uma solicitação em excesso, causando danos aos elementos de ligação ou até na própria peça. Logo, a construção deve permitir que essas dilatações ocorram livremente, sem danificar o sistema construtivo. O coeficiente de dilatação térmica representa a variação dimensional linear do elemento, caso ocorra a variação de 1 °C. De acordo com Pfeil e Pfeil (2003), a madeira apresenta coeficientes de dilatação diferentes conforme a direção da fibra analisada, em que os valores mais expressivos são encontrados na direção perpendicular às fibras (direção radial), atingindo valores da ordem de 8,0 x 10-5 por °C em madeiras moles (4 a 7 vezes maior que o aço) por °C. 22 CAPÍTULO 3 SINTOMATOLOGIA NAS ESTRUTURAS DE MADEIRA Sintomatologia é “parte da medicina que se dedica ao estudo e interpretação dos sinais e sintomas presentes em exames médicos” (SINTAMOLOGIA, 2020). Adequando a definição à construção civil, a sintomatologia nas estruturas de madeira é a área responsável por analisar os sintomas/patologias (características visuais, sonoras, dentre outras) presentes nas referidas estruturas, para, por meio disso, conseguir determinar os elementos causadores e as medidas corretivas a serem adotadas. 3.1. Gênese das patologias em madeira Como um material biológico, a madeira está sujeita a diversos elementos degradantes. Sob o aspecto biológico e ambiental, a degradação da madeira é uma ação natural e com vários benefícios ao meio ambiente. Contudo, quando analisada sob a visão da construção civil, a deterioração da madeira é uma ação indesejável, que pode gerar desde um simples defeito visual até a completa degradação da estrutura (BRITO, 2014). A madeira pode ser definida como um compósito, formado pela combinação de polímeros, que apresenta boa resistência e durabilidade, podendo ser utilizada como material estrutural, em substituição ao aço e concreto. Contudo, independentemente da qualidade da madeira, mesmo aquelas de boa qualidade, quando utilizadas em ambientes agressivos, naturais ou artificiais, esta deve se protegida para que se possa garantir seu desempenho e vida útil (RITTER; MORRELL, 1990). Apesar de ser um material orgânico, não degrada por si só, logo a idade não é um fator, quando analisado único e exclusivamente, determinante na sua resistência e demais propriedades (CRUZ, 2001). Assim, as propriedades da madeira só são reduzidas devido aos diversos agentes (químicos, físicos, mecânicos, biológicos) a que esta pode estar sujeita durante sua vida útil. De acordo com Ritter e Morrel (1990), o processo de deterioração da madeira, na maioria dos casos, não é algo pontual, devendo ser considerado de maneira contínua, em que a junção de ataques de diferentes agentes reduz as propriedades da madeira, facilitando que outros agentes também ataquem. 3.2. Condições patológicas favoráveis Para Calil Junior et al. (2006), para que se possa garantir a durabilidade desses elementos, é necessário que haja: detalhamento adequado dos elementos construtivos, buscando 23 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I a eficiência construtiva e estrutural; tratamentos preservativos adequados; e correto controle, por meio das avaliações e manutenções tempestivas. A fim de combater e prevenir a deterioração da madeira, é importante definir em quais condições/ambientes esse material fica mais suscetível ao desgaste. Segundo Ritter e Morrel (1990), os agentes, principalmente os bióticos, necessitam de diversos fatores (condições favoráveis) para seu desenvolvimento, em que, retirando-se um desses elementos, a madeira estará imune ao ataque. 3.2.1. Agentes abióticos Os ataques por agentes abióticos são aqueles não causados por seres vivos, e estão relacionados a questões ambientais, meteorológicas ou erros de projeto, construtivos ou na manutenção. Nem todos os agentes ambientais podem ser evitados por completo, como raios ou incêndios. Nesse caso, a avaliação periódica tem um papel fundamental, avaliando a peça danificada, para, caso seja possível, repará-la ou mesmo substituí-la. Os agentes abióticos físicos, químicos e atmosféricos não dependem de condições especiais para que ocorram, pois, em sua maioria, são questões ambientais ou situacionais, em que já era previsto que a madeira trabalharia sobre tal situação. Na maioria das vezes, não é possível alterar o ambiente, sendo necessário preparar a peça para que suporte a agressividade ambiental a que estará sujeita. Portanto, pode ser considerada como condição favorável para que ocorram esses ataques deteriorativos, nesses casos, a falta de proteção adequada. A umidade da madeira, além de influenciar no ataquepor agentes bióticos, também influenciará no ataque por agentes abióticos. Como mostrado no Capítulo 2 – Unidade I, a umidade influencia as propriedades mecânicas da madeira, dentre elas sua resistência e elasticidade. Com a diminuição das propriedades mecânicas, podem ser geradas diversas patologias de origem estrutural. A variação de umidade da madeira também pode gerar diversos defeitos naturais na peça de madeira, principalmente devido à sua característica anisotrópica, que resulta em variações dimensionais diferentes na mesma peça. Como resultado desse diferencial de variações, podem-se formar trincas, fendas e empenamentos. Segundo Cruz (2001), os defeitos causados pelo processo de secagem e umidificação, como empenamentos e trincas, não são definitivos, sendo reversíveis aos valores iniciais (de resistência e dimensões), assim que o material retorna para a umidade inicial. Contudo esses defeitos, mesmo que temporários, podem servir como facilitador para o ataque de outros agentes abióticos e até mesmo bióticos. 24 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA 3.2.2. Agentes bióticos Agentes bióticos são todos aqueles seres vivos que degradam a madeira, principalmente para utilizá-la como habitat ou fonte de alimento. Esses organismos dependem de uma ou algumas condições ambientais favoráveis para que consigam se desenvolver e assim degradar a madeira. Dentre esses seres, vale destacar os fungos, que, apesar de ser um dos principais e mais agressivos biodeterioradores da madeira, dependem de um conjunto de condições ambientais favoráveis para que consigam se desenvolver no material. Caso retirado qualquer um dos elementos necessários ao seu desenvolvimento, seu ataque pode ser evitado. Dentre as condições favoráveis para que ocorra o ataque dos agentes bióticos, as principais são: 3.2.2.1. Umidade A umidade, além de ser uma condição favorável para diversos agentes abióticos, facilita que diferentes organismos possam realizar seus processos metabólicos e assim degradem a madeira. Para Brito (2014), existem espécies, como os fungos ou as térmitas subterrâneas, que só atacarão a madeira caso a umidade esteja acima de determinados valores e esta condição permaneça por períodos de tempo consideráveis. Para variações de umidade da madeira entre 0 e 30%, ocorre o fenômeno denominado de retração ou inchamento. A variação dimensional resultante pode gerar defeitos nas peças, que serão elementos facilitadores para a entrada de diversos agentes na madeira. De acordo com Ritter e Morrell (1990), a água também será um meio para difusão das enzimas liberadas pelos fungos que degradam a madeira e, além disso, a variação da água nas células (pela secagem e pelo umedecimento), por longos períodos, pode levar à lixiviação dos preservativos. Contudo, apesar de a umidade, na maioria das vezes, ser um elemento necessário para o desenvolvimento de agentes deterioradores da madeira, há situações em que a água nas células ajudará a evitar a deterioração da peça. Isso ocorre quando a madeira está inteiramente saturada (vazios na microestrutura do material ocupados completamente por água), não existindo oxigênio em quantidade suficiente para o desenvolvimento de microrganismo (MACHADO et al., 2009 apud BRITO, 2014). Nesse caso, Ritter e Morrell (1990) explicam que a situação crítica para o ataque por fungos será na região da madeira onde ocorre a variação de umidade, em que as células não ficam completamente cheias nem totalmente secas, resultando em poros com água e oxigênio livre em quantidades suficientes para os processos metabólicos dos fungos. 25 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I 3.2.2.2. Temperatura Para Ritter e Morrel (1990), os microrganismos, principalmente os fungos, que deterioram a madeira, precisam de uma temperatura ambiente na faixa entre 21 °C e 29 °C (70 a 85 °F) para que possam sobreviver e realizar todas as suas atividades metabólicas necessárias. Contudo existem seres que conseguem sobreviver em outras faixas de temperatura. Quando a temperatura se aproxima de 0 °C, esses fungos entram em estado de inativação e, desse modo, mantêm-se vivos e inertes por longos períodos, retornando à atividade com a elevação de temperatura. Em contrapartida, em temperaturas elevadas, os organismos desaceleram seu crescimento e a degradação da madeira, para evitar o superaquecimento. Vários microrganismos conseguem sobreviver em temperaturas de até 40 °C, contudo os fungos apodrecedores podem ser quase completamente eliminados caso sejam expostos pelo período de 75 minutos a uma temperatura superior a 66 °C (150 °F) (RITTER; MORRELL, 1990). 3.2.2.3. Oxigênio Quase todos os seres vivos precisam de oxigênio para a sobrevivência, salvo as bactérias anaeróbias. Segundo Ritter e Morrell (1990), alguns fungos causadores da biodeterioração por apodrecimento conseguem sobreviver com quantidades baixas de oxigênio, logo, estruturas em altitudes elevadas, como pontes, não estão livres do ataque. Para evitar o acesso do oxigênio ao elemento de madeira, segundo Brito (2014), podem ser utilizados diversos impermeabilizantes, com diversos materiais, tais como polímeros, derivados de petróleo ou concreto. As madeiras submersas são um caso particular e devem ser divididas conforme o ambiente aquático em que se encontram. Em regra, se ela está completamente submersa em água doce, estará saturada e, portanto, não possuirá oxigênio livre para desenvolvimento de agentes biodeterioradores. Nessa situação, o risco de biodeterioração será na região da lâmina de água do rio, em que ocorre variação de umidade, devido variação no nível da água do corpo d’água. Na água salgada têm-se os perfuradores marinhos, logo, a saturação dos poros no mar não garantirá proteção contra o ataque de agentes bióticos. 3.2.2.4. Fonte de alimento Os agentes bióticos podem usar a madeira para diversas funções, sendo, segundo Ritter e Morrel (1990), usada principalmente como fonte de alimento. Um método eficiente de evitar o ataque dos biodeterioradores é a utilização de impermeabilizantes que impeçam que os organismos tenham contato direto com a madeira e possam degradá-la, tornando-a 26 UNIDADE I | DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA sensível ao ataque somente se a camada protetora for insuficiente ou apresentar alguma abertura que permita a penetração de agentes (BRITO, 2014). Madeiras de melhor qualidade (mais densas) apresentam, naturalmente, uma maior resistência ao ataque de agentes bióticos. Contudo, essa resistência não é definitiva, e o ataque contínuo, associado com o de outros agentes, como intemperismo e lixiviação, resultará na degradação da madeira (BRITO, 2014). 3.3. Causas de deterioração das estruturas Para que se possa garantir a durabilidade e funcionalidade da estrutura de madeira, é fundamental que se conheça os principais elementos capazes de deteriorá-la. A partir dessa informação, é possível definir as diretrizes a serem adotadas na peça (como revestimentos, impermeabilizantes, tratamentos etc.), necessárias para que ela possa manter-se funcional por longos períodos. As causas podem ser divididas de diversas maneiras, conforme suas singularidades ou similaridades. Segundo Brito (2014), adaptando a classificação proposta por Souza e Ripper (1998), as principais causas de deterioração das estruturas de madeira podem ser assim divididas: » causas intrínsecas: são todas as causas inerentes à própria estrutura, ou seja, derivadas dos materiais e peças estruturais utilizados. Podem ser oriundas de: › falhas humanas: podem ser divididas nas seguintes fases: ◦ durante a construção: comumente, são derivadas da falta de mão de obra qualificada, resultando na escolha inadequada de materiais e/ou falhas nas práticas construtivas utilizadas; ◦ durante a utilização: as falhas nessa fase se relacionam principalmente às manutenções tanto preventivas (ausentes ou insuficientes)quanto corretivas (também inadequadas ou insuficientes). » causas naturais: são aquelas inerentes às características da madeira e sua suscetibilidade ao ataque de diferentes agentes deteriorativos. Nesse caso, a estrutura de madeira está sujeita a: › ações de agentes bióticos: originadas pelas condições favoráveis presentes na madeira (umidade, temperatura, fonte de alimento disponível e oxigênio livre); › ações de agentes abióticos, que podem ser derivadas de: ◦ causas químicas: oriundas dos compostos químicos próprios da madeira; 27 DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA | UNIDADE I ◦ causas físicas: são originadas devido às propriedades da madeira, tal como a variação dimensional diferenciada nas peças oriunda da anisotropia. » causas extrínsecas: são causas que independem do corpo estrutural em si, ou seja, são elementos externos à estrutura. › falhas humanas: em grande parte, relacionam-se à ausência de alguma atividade ou elemento, que poderia ser essencial para evitar uma patologia. Podem-se dividir as falhas humanas nas seguintes fases: ◦ durante o projeto: são falhas ou ausências relacionadas ao dimensionamento e detalhamento do projeto estrutural, tais como: ausência de projeto estrutura, ausência de sondagens do solo e avaliações inadequadas de carga; ◦ durante a utilização: são todas as modificações (estruturais, no terreno ou fundações, das cargas, do tipo de uso) que podem alterar a estrutura em uso e/ou as cargas a que esta estava sujeita. » ações mecânicas: são as ações que vão solicitar mecanicamente a estrutura, geralmente relacionadas a choques e solicitações abruptas, que podem levar à fissuração ou ruptura da estrutura; » ações atmosféricas: diversas ações ambientais com capacidade de danificar a estrutura, tais como raios, vento, enchentes, raios ultravioletas; » ações químicas: elementos químicos, derivados dos preservativos ou de vazamentos, com capacidade de danificar a madeira ou seus elementos de ligação; » ações biológicas: presença ou desenvolvimento de agentes biológicos na nas regiões próximas e/ou edificações vizinhas. 28 REFERÊNCIAS APHOTOMARINE. 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