fisico mecanica, Notas de estudo de Engenharia Florestal

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CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

E

MECÂNICAS DAS MADEIRAS

1.1 – GENERALIDADES.

A madeira é um material natural de origem vegetal encontrada em florestas natu- rais e em florestas resultantes de reflorestamentos. Uma grande vantagem da ma- deira é que sua fonte de matéria prima é abundante e renovável.

A madeira compete com o concreto e com o aço, quando comparamos suas ca- racterísticas estruturais e geralmente possui um peso especifico muito menor que o aço e o concreto.

Existe na sociedade brasileira um preconceito quanto ã durabilidade e ã resistên- cia da madeira, que foi sendo formado ao longo do tempo, principalmente porque as indústrias do aço e do concreto, investiram em pesquisas e divulgação dos re- sultados, acompanhados pela atualização de suas normas de cálculo, propiciando a elaboração de projetos com alto grau de qualidade técnica.

No Brasil, a madeira produzida pelas serrarias, e a aplicação da madeira na construção civil, ocorreu desordenadamente e sem acompanhamento técnico a- dequado. No Brasil o texto original da norma brasileira para estruturas de madeira, a NBR 7190 – Cálculo e Execução de Estruturas de Madeira foi editado pela pri- meira na década de 50, foi atualizado somente em 1997.

A madeira pode ser considerada um material estrutural muito resistente quando utilizamos a espécie adequada na classificação, associado a um sistema estrutural apropriado.

A durabilidade da construção em madeira depende diretamente do projeto arquite- tônico, como uso de beirais largos, formas de proteger a madeira do contato direto com a umidade do solo, deixar a madeira respirar, etc... podem garantir uma vida útil de 50 anos ou mais.

Uma característica de madeira que merece destaque é a anisotropia, responsável por diferentes comportamentos de acordo com a direção de aplicação da carga em relação às fibras. Outra característica importante refere-se à grande variabili- dade de suas propriedades devida às inúmeras espécies disponíveis no mercado.

Muitas pesquisas foram realizadas nas últimas duas décadas no Brasil e com isso realizou-se a revisão da norma brasileira para estruturas de madeira com grande contribuição da Escola de Engenharia da USP/ São Carlos e o LAMEM que resul- tou na aprovação da atual norma brasileira para projeto de estruturas de madeira, NBR 7190:1997. Muitas pesquisas precisam ser realizadas para o desenvolvimen- to da tecnologia da madeira no Brasil e a parceria entre as indústrias e as institui- ções de pesquisas, gerando publicações e criando um melhor envolvimento de arquitetos e engenheiros.

ANATOMIA DO TECIDO LENHOSO

1.3 - PROPRIEDADES FÍSICAS DA MADEIRA

Conhecer as propriedades físicas da madeira é de grande importância porque es- tas propriedades podem influenciar significativamente no desempenho e resistên- cia da madeira utilizada.

Entre as características físicas da madeira cujo conhecimento é importante para sua utilização como material de construção, destacam-se:

• Umidade
• Densidade
• Retratibilidade
• Resistência ao fogo
• Durabilidade natural
• Resistência química.

Outro fator a ser considerado na utilização da madeira é o fato de se tratar de um material anisotrópico, ou seja, com comportamentos diferentes em relação à dire- ção de crescimento das fibras. Devido à orientação das fibras de madeira e à sua forma de crescimento, as propriedades variam de acordo com três eixos perpendi- culares entre si: longitudinal, radial e tangencial.

As diferenças das propriedades nas direções radial e tangencial são relativamente menores quando comparadas com a direção longitudinal. Comumente as proprie- dades da madeira são apresentadas, para utilização estrutural, somente no senti- do paralelo às fibras da madeira (longitudinal), e no sentido perpendicular às fibras (radial e tangencial).

A) TEOR DE UMIDADE

A umidade da madeira é determinada pela seguinte expressão:

Onde: m 1 = massa úmida m 2 = massa seca w= umidade (%)

A água é importante para o crescimento e desenvolvimento da árvore, constituin- do uma grande porção da madeira verde. Na arvore a água na célula da madeira apresenta-se de duas formas, como água livre contida nas cavidades das células (lumens), e como água impregnada contida nas paredes das células.

Quando a árvore é cortada, ela tende a perder rapidamente a água livre existente em seu interior para, a seguir, perder a água de impregnação mais lentamente. A umidade na madeira tende a um equilíbrio com a umidade e temperatura do ambi- ente em que se encontra. O teor de umidade correspondente ao mínimo de água livre e o máximo de água de impregnação é denominado de “ponto de saturação das fibras”. Para as madei- ras brasileiras esta umidade encontra-se em torno de 25%.

A perda de água na madeira até o ponto de saturação das fibras se dá sem a o- corrência de problemas para a estrutura de madeira. A partir deste ponto a perda de umidade é acompanhada pela retração (redução das dimensões) e o aumento

2

1 2 m

m m w

bem dimensionada ela apresenta resistência ao fogo superior à de outros materi- ais estruturais.

Uma peça de madeira exposta ao fogo torna-se um combustível para a propaga- ção das chamas, porém, após alguns minutos, a camada mais externa da madeira se carboniza se tornado um isolante térmico que retém o calor, auxiliando, assim, na contenção do incêndio, evitando que toda peça seja destruída.

Outra característica importante da madeira com relação ao fogo é o fato de não apresentar distorção quando submetidas a altas temperaturas, tal como ocorre com o aço, dificultado assim a ruína da estrutura.

D) DURABILIDADE NATURAL

A durabilidade da madeira, com relação a biodeterioração, depende da espécie e das características anatômicas. Certas espécies apresentam alta resistência natu- ral ao ataque biológico enquanto outras são menos resistentes.

Outro ponto importante que deve ser destacado é a diferença na durabilidade da madeira de acordo com a região da tora da qual a peça de madeira foi extraída, o cerne e o alburno apresentam características diferentes, incluindo-se aqui a dura- bilidade natural, com o alburno sendo muito mais vulnerável ao ataque biológico, e o cerne sendo mais resistente ao ataque biológico, devido às resinas ali deposita- das ao longo dos anos . A baixa durabilidade natural de algumas espécies pode ser compensada com um tratamento preservativo, alcançando-se assim melhores níveis de durabilidade, próximos dos apresentados pelas espécies naturalmente resistentes.

1.4 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DA MADEIRA

As propriedades mecânicas são responsáveis pela resposta da madeira quando solicitada por carregamentos externos. São divididas em propriedades de resis- tência e elasticidade

1.41 - PROPRIEDADES ELÁSTICAS

Elasticidade é a capacidade do material de retornar à sua forma inicial, após a reti- rada a ação do carregamento externo que o solicitava, sem apresentar deforma- ção residual. Apesar de não ser um material elástico ideal, pois apresenta uma deformação re- sidual 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 elastici- dade longitudinal (E), o módulo de elasticidade transversal (G) e o coeficiente de

Poisson (v). Como a madeira é um material ortotrópico, as propriedades de elasti- cidade variam de acordo com a direção das fibras em relação à direção de aplica- ções da força.

A) MÓDULO DE ELASTICIDADE (E)

De acordo com a norma brasileira trabalha-se com três valores de módulo de elas- ticidade: o módulo de elasticidade longitudinal (E 0 ), determinado através do ensaio de compressão paralela às fibras da madeira; o módulo de elasticidade normal (E 90 ), que pode ser representado com uma fração do módulo de elasticidade longi- tudinal pela seguinte expressão.

0 90

E

E = ( FONTE:NBR 7190:1997)

B) MÓDULO DE ELASTICIDADE TRANSVERSAL (G)

Pode ser estimado a partir do módulo de elasticidade longitudinal (E 0 ), pela se- guinte relação:

G = E^0 ( FONTE:NBR 7190:1997)

C) COEFICIENTE DE POISSON

A norma brasileira, NBR 7190:1997, não traz em seu texto nenhuma especifica- ção a respeito de valores do coeficiente de Poisson para madeira.

1.42 - PROPRIEDADES DE RESISTÊNCIA

Estas propriedades descrevem as resistências últimas de um material quando so- licitado por uma força. As propriedades de resistência da madeira também dife- rem segundo os três eixos principais, embora com valores muito próximos nas direções tangencial e radial. Por isso, as propriedades de resistência são analisa- das segundo duas direções: paralela e normal às fibras.

A) COMPRESSÃO

Três são as solicitações às quais se podemos submeter à madeira na compres- são: paralela, normal ou inclinada em relação às fibras.

RESUMO-

COMPRESSÃO PARALELA: encurtamento das células da madeira ao longo do seu eixo longitudinal.

TRAÇÃO PARALELA: alongamento das células da madeira ao longo eixo longitu- dinal.

COMPRESSÃO NORMAL AS FIBRAS (perpendicular): comprime as células da madeira perpendicular ao eixo longitudinal.

TRAÇÃO NORMAL AS FIBRAS: tende a separar as células da madeira perpendi- cular aos seus eixos, onde a resistência é baixa, devendo ser evitada.

C) CISALHAMENTO

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 (cisalhamen- to 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 longi- tudinal às fibras (cisalhamento horizontal) e a força aplicada perpendicular às li- nhas dos anéis de crescimento (cisalhamento “rolling”). O caso mais crítico é o do cisalhamento horizontal que leva à ruptura pelo escorregamento entre as células de madeira. Já o cisalhamento “rolling” produz uma tendência das células rolarem uma sobre as outras.

CISALHAMENTO VERTICAL: deforma as células da madeira perpendicularmente ao eixo longitudinal. Normalmente não é considerada, pois, outras falhas ocorre- rão antes. CISALHAMENTO HORIZONTAL: produz a tendência das células da madeira de separarem e escorregarem longitudinalmente.

D) FLEXÃO SIMPLES

Quando a madeira é solicitada à flexão simples ocorrem quatro tipos de esforços: compressão paralela às fibras, tração paralela às fibras, cisalhamento horizontal e nas regiões dos apoios compressão normal às fibras.

A madeira apresenta uma ótima resistência na direção paralela as fibras. Tanto na tração quanto na compressão. Portanto resiste bem a flexão.

• Podridão
• Podridão
• Mancha

E) DEFEITOS DE SECAGEM

São originados pela deficiência dos sistemas de secagem e armazenamento das peças. Podem ser: encanoamento, arqueamento, encurvamento, torcimento e ra- chadura.

1.6 - DIMENSÕES COMERCIAIS DA MADEIRA

Apresenta-se a nomenclatura, seguida das seções comerciais das madeiras en- contradas comercialmente no Brasil.

A) DIMENSÕES COMERCIAIS DA MADEIRA SERRADA

NOMENCLATURA SEÇÃO TRANSVERSAL NOMINAL (CM)

Ripas 1,2 x 5,0 1,5 X 5, Ripões 2,0 x 5,0 2,5 X 6, Sarrafos 2,0 x 10,0 3,0 X 12,0 3,0 X 16, Caibros 5,0 x 6,0 6,0 X 6, Caibrões 6,0 X 8, Pontaletes 7,5 x 7,5 10,0 X 10, Vigotas, Vigas 6,0 x 12,0 6,0 X 16, Tábuas 2,5 x 22,0 2,5 X 30, Pranchas 4,0 x 20,0 4,0 X 30, Pranchões 6,0 x 20,0 6,0 X 30, Postes 12,0 x 12,0 15,0 X 15,

B) DIMENSÕES USUAIS DAS TORAS DE MADEIRAS (POSTES ROLIÇOS)

DIÂMETRO

COMPRIMENTO (M)

TIPO

BASE (CM) TOPO (CM)

7 Leve 18,5 13, 8 Leve 19,7 14,

9 Leve

Leve Médio Pesado

Leve Médio Pesado

Leve Médio Pesado

Médio Pesado

14 Médio Pesado

Médio Pesado

Médio Pesado

Médio Pesado

Médio Pesado

Médio Pesado

Médio Pesado

Fonte:

MADEIRA LAMINADA

SISTEMAS UTILIZADOS EM MADEIRA LAMINADA E SEU PRÉ-

DIMENSIONAMENTO

FONTE: www.habitlegno.it/assets/images/tabgrigia.gif

COBERTURAS