Inter-relação entre as propriedades e a microestrutura das madeiras

PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 1
Departamento de Engenharia de Construção Civil
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
PCC 5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de
Construção Civil
Prof. Dr. Antônio Domingues de Figueiredo
Inter-relação entre as propriedades e a
microestrutura das madeiras
Carlos Amado Britez
Valdenei Nogueira
São Paulo - 2006
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 2
Sumário
1 – RESUMO
03
2 – INTRODUÇÃO
03
2.1 Objetivo
03
2.2 Justificativa
03
3 – MICROESTRUTURA DA MADEIRA
05
3.1 Classificação das madeiras
05
3.2 Composição química
05
3.3 Características da microestrutura
07
4 – PROPRIEDADES DA MADEIRA
08
4.1 Propriedades físicas
09
4.1.1 Anisotropia
11
4.1.2 Umidade
12
4.1.3 Retração
12
4.2 Propriedades mecânicas
13
4.2.1 Compressão paralela e normal às fibras
13
4.2.2 Tração paralela às fibras
14
4.2.3 Cisalhamento paralelo às fibras
14
4.3 Variação das propriedades
15
4.3.1 Influência dos defeitos
15
4.3.2 Influência da umidade
15
4.3.3 Influência do tempo de duração de carga
16
4.3.4 Fluência da madeira
16
4.3.5 Fadiga da madeira (ação de cargas cíclicas)
17
4.3.6 Efeitos de curta duração (impacto)
17
5 – PRINCIPAIS PRODUTOS
17
6 – SISTEMAS ESTRUTURAIS
20
6.1 Cimbramentos
20
6.2 Montanha russa do parque temático Hopi Hari em Vinhedo - SP
21
6.3 Vigamentos
21
7 – IMPACTO AMBIENTAL
22
8 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
24
9 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
24
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 3
1. RESUMO
A madeira possui uma microestrutura bastante complexa, em face de sua constituição orgânica,
procedência natural e composição química, a qual pode ser variável de acordo com a localização
geográfica, clima, tipo de solo e espécie. A madeira é um material poroso, constituído por
diferentes estruturas cujo elemento básico é a célula. Existem vários tipos de células, as quais
têm funções diversas no vegetal, tais como, condução da seiva, suporte, armazenamento de
substâncias nutritivas, etc. Cada uma dessas funções confere uma forma diferente ás células.
Algumas são mais alongadas, outras em forma de cubo. Umas possuem paredes mais espessas,
outras paredes mais finas. Devido a isso, algumas madeiras apresentam características diferentes
como permeabilidade, textura, propriedades físicas e mecânicas. Conhecendo-se microestrutura
do material é possível o uso de diferentes espécies para as mais diversas aplicações no campo da
construção civil em geral.
2. INTRODUÇÃO
2.1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é analisar as principais características da estrutura anatômica da
madeira e suas relações com as propriedades físicas e mecânicas do material.
2.2 Justificativa
A madeira é um dos materiais mais antigos da civilização, dada sua disponibilidade na natureza e
sua relativa facilidade de manuseio. Além disso, ZENID (2005) observa que a madeira possui
diversas propriedades que a torna muito atraente frente a outros materiais. Dentre essas, são
comumente citados, o baixo consumo de energia para seu processamento, a alta resistência
mecânica específica, as boas características de isolamento térmico e elétrico, além de ser um
material fácil de ser trabalhado manualmente ou pro máquinas.
PFEIL (2003), destaca que comparada a outros materiais de construção convencionais utilizados
atualmente, a madeira apresenta uma excelente relação resistência/peso, conforme mostrado na
Tabela 1.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 4
Tabela 1: Propriedades de alguns materiais de construção (adaptado de PFEIL, 2003).
Material
r(t/m³)
f(Mpa)
f/r
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
Sendo r = massa específica; f = resistência característica
ZENID (2005), ainda comenta que pelo fato da madeira ser resultado do crescimento de um ser
vivo, implica em variações das suas características em função do meio ambiente em que a árvore
se desenvolve. A esta variabilidade acrescenta-se que a madeira é produzida por diferentes
espécies de árvores, cada qual com características anatômicas, físicas e químicas próprias.
À medida que os avanços tecnológicos ocorrem, mais diversos e sofisticados são os usos
encontrados para a madeira. Mesmo com a atual disponibilidade de numerosos materiais
sintéticos, tem sido difícil manter um alto padrão de conforto sem a presença da madeira. Outros
tipos de materiais, tais como metais, plásticos, cimento, etc., apresentam problemas da
disponibilidade de matéria prima, alta necessidade de insumos energéticos para sua obtenção,
além de problemas de contaminação ambiental criados no processo produtivo.
Por outro lado, a madeira está sujeita à degradação biológica por ataques de fungos, brocas etc. e
também a ação do fogo. Além disso, por ser um material natural apresenta inúmeros defeitos,
como nós e fendas que interferem em suas propriedades mecânicas (PFEIL, 2003). Conforme
também observado por ZENID (2005), todas as vantagens mencionadas podem ser perdidas, se a
madeira for aplicadas em levar em conta o conhecimento de suas diversas propriedades e
adequação das mesmas ao uso final desejado.
Finalmente, nunca deve ser esquecido que a madeira é a única matéria prima renovável, que
pode servir a várias finalidades industriais, e é inconcebível que tal material seja cultivado ou
utilizado sem a devida consideração aos conhecimentos científicos relativos à sua natureza.
Portanto torna-se importante esta abordagem sobre o conhecimento da microestrutura da
madeira, uma vez que esse material possui vantagens tanto em suas propriedades, se aplicado
corretamente, quanto no conceito de sustentabilidade, se utilizado conscientemente pelo ser
humano. Além disso, o material torna-se atrativo por consumir menos energia para sua obtenção
e processamento, conseqüentemente, degradando menos o meio ambiente.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 5
3. MICROESTRUTURA DA MADEIRA
3.1 Classificação das madeiras
As madeiras utilizadas em construção civil são obtidas de troncos de árvores. Segundo PFEIL
(2003), distinguem-se duas categorias principais de madeiras:
•
Madeiras duras – provenientes de árvores frondosas (dicotiledôneas, da classe
Angiosperma, com folhas achatadas e largas), de crescimento lento, como peroba,
ipê, aroeira, carvalho etc;
•
Madeiras macias – provenientes em geral das árvores coníferas (da classe
Gimnosperma, com folhas em forma de agulhas ou escamas, e sementes agrupadas
em forma de cones), de crescimento rápido, como pinheiro-do-paraná e pinheirobravo, ou pinheirinho, pinheiros europeus, norte-americanos etc.
3.2 Composição química
A composição química da madeira não pode ser precisamente definida para uma espécie de
madeira ou mesmo para uma madeira em particular. Ela varia de acordo com uma série de
fatores, podendo muitas vezes de pender da procedência (localização geográfica), clima, tipo de
solo, etc.
De qualquer forma, pode-se afirmar que existem três componentes principais na madeira:
Lignina (18% a 35%), Hemicelulose e Celulose (65% a 75%). Esses materiais são considerados
poliméricos complexos. Como um todo, os elementos (estrutura molecular) que compõem a
madeira são aproximadamente distribuídos da seguinte forma:
•
50% carbono
•
44% oxigênio
•
6,0% hidrogênio
•
traços de muitos íons metálicos
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 6
A seguir explicam-se, segundo MONTANA QUÍMICA S.A., (1991), as características químicas
dos três componentes principais da madeira (celulose, hemicelulose e lignina):
•
A celulose é um polímero constituído por cadeias de unidades monoméricas
glicosídicas, encontrado na natureza em diversos materiais como algodão, bambu,
madeira, etc. De alta resistência à tração, a celulose fornece uma estrutura à madeira.
Tem alto grau de polimerização, forma fibras e possui regiões cristalinas e amorfas. É
o componente de maior importância nas paredes das células da madeira, tanto em
termos de volume como seu efeito nas características da madeira, respondendo por
cerca de 40% a 50% em relação ao peso de madeira seca. É possível estimar que a
celulose constitui 1/3 do material total produzido por todas as plantas coletivamente,
o que torna a mais importante matéria prima de origem vegetal disponível ao homem;
•
As hemiceluloses são polissacarídeos associados com a celulose e a lignina em
tecidos vegetais. Enquanto a celulose é formada pela repetição da mesma unidade
monomérica, nas hemicelulose aparecem condensadas diversas dessas unidades.
Apresentam baixo grau de polimerização, não formam fibras e só possuem regiões
amorfas. O conteúdo de hemicelulose num vegetal arbóreo corresponde a cerca de
25% a 35%, considerando o peso de madeira seca;
•
A lignina é um composto aromático de alto peso molecular. É um polímero
tridimensional que apresenta composições diferentes para coníferas e frondosas sendo
encontrada em maior quantidade em coníferas do que em frondosas. A lignina
incrusta o espaço intercelular e toda e qualquer abertura e cavidade das paredes das
células, após a deposição da celulose e das hemiceluloses. Atua como material
“cimentante” que liga os elementos estruturais das madeiras (fibras, traqueídeos,
vasos, etc.) e auxilia na redução de mudanças dimensionais quando as paredes das
células absorvem água. A lignina é bastante insolúvel, apresentando menor
higroscopidade (habilidade em absorver água) que a celulose. A mais importante
propriedade física deste material é a rigidez e dureza que confere às paredes celulares
onde está localizada, ou seja, é a lignina que dá rigidez e dureza ao conjunto de cadeia
de celulose, conferindo coesão à madeira. Muitas propriedades físicas e mecânicas da
madeira dependem da presença da lignina.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 7
Portanto, a madeira é uma rede cristalina formada de camadas de fibrilas e microfibrilas de
celulose entremeadas por uma matriz amorfa, a lignina, tendo como ponte entre essas duas a
hemicelulose. As paredes das células longitudinais da madeira (fibras) podem ser descritas,
ainda, como um material compósito: os filamentos compostos de celulose constituem o reforço
das fibras, e a matriz de polímeros (hemiceluloses e lignina) tem a função de manter unidos os
filamentos e prover rigidez à compressão das fibras.
3.3 Características da microestrutura
As células da madeira, denominadas fibras, são como tubos de paredes finas, alinhados na
direção axial do tronco e colados entre si. As fibras longitudinais possuem diâmetro variando
entre 10 e 80 micra e comprimento de 1 a 8 mm. A espessura das paredes da célula varia de 2 a 7
micra.
Nas madeiras macias (coníferas) cerca de 90% do volume é composto de fibras longitudinais,
que são o elemento portante da árvore. Além disso, elas têm a função de conduzir a seiva por
tensão superficial e capilaridade através dos canais formados pelas cadeias de células. As fibras
das árvores coníferas têm extremidades permeáveis e perfurações laterais que permitem a
passagem de líquidos. Algumas coníferas apresentam ainda canais longitudinais, ovalizados,
onde são armazenadas resinas.
Nas árvores frondosas, as células longitudinais são fechadas nas extremidades; a seiva, então,
circula em outras células de grande diâmetro, com extremidades abertas, justapostas,
denominadas vasos ou canais. As fibras têm apenas função de elemento portante. Na Figura 1,
observam-se, como exemplo, a diferença das seções transversais de madeira conífera e de
madeira frondosa.
Figura 1: Seções transversais ampliadas típicas de madeira (a) de conífera; (b) de árvore frondosa (PFEIL, 2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 8
As fibras longitudinais distribuem-se em anéis, correspondentes aos ciclos anuais de
crescimento. Além das fibras longitudinais, as árvores têm em sua composição o parênquima,
tecido pouco resistente, formado por grupos de células espalhadas na massa lenhosa e cuja
função consiste em armazenar e distribuir matérias alimentícias. Nas árvores coníferas as células
do parênquima são orientadas transversalmente do centro do tronco (medula) para a periferia
formando as fibras radiais, denominadas raios medulares. Nas árvores frondosas o parênquima se
distribui transversal e longitudinalmente.
A estrutura celular da madeira constitui a base da identificação micrográfica das espécies.
Preparam-se lâminas com espessuras da ordem de 30 micra, contendo seções transversal,
longitudinal tangencial e longitudinal radial. A distribuição celular nessas lâminas, observada
com auxílio de microscópio, permite uma perfeita identificação da espécie vegetal. Muito útil na
identificação é a distribuição do parênquima, que constitui uma verdadeira impressão digital da
madeira. Na Figura 2 é possível observar o diagrama de uma Angiosperma (árvores frondosas)
nos três planos, onde a parênquima aparece em duas direções distintas.
Figura 2: Diagrama de uma Angiosperma nos três planos de observação (CHIMELO, 2005).
4. PROPRIEDADES DA MADEIRA
As propriedades das madeiras podem ser divididas em dois grandes grupos: as propriedades
físicas e as propriedades mecânicas, sendo que ambos estão ligados à estrutura e crescimento
das árvores.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 9
4.1 Propriedades físicas
As árvores produtoras de madeira são do tipo exogênico, que crescem pela adição de camadas
externas, sob a casca (PFEIL, 2003). A seção transversal de um tronco de árvore revela camadas,
de fora para dentro, conforme demonstrado na Figura 3.
Figura 3: Seção transversal de um tronco (PFEIL, 2003).
Além disso MONTANA QUÍMICA S.A., (1991), destaca que um vegetal que produz lenho
secundário, isto é tecido de sustentação e condução de seiva do tronco e raízes, pode ser
considerado uma planta lenhosa quando atinge pelo menos uma altura de 6,0 metros e tenha
geralmente um único caule ou um tronco. Na Figura 4 é observada a seção transversal em uma
visão isométrica para melhor compreensão das camadas que compõem um caule.
Figura 4: Esquema de um caule em seção transversal (isométrico) (CHIMELO, 2005).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 10
A seção transversal de um tronco possui as seguintes camadas:
•
A casca é a proteção externa da árvore, formada por uma camada externa morta, de
espessura variável com a idade e as espécies, e uma fina camada interna, de tecido
vivo e macio, que conduz o alimento preparado nas folhas para as partes em
crescimento.
•
O alburno ou branco é a camada formada por células vivas que conduzem a seiva das
raízes para as folhas; tem espessura variável conforme a espécie, geralmente de 3 a 5
cm.
•
Com o crescimento, as células vivas do alburno tornam-se inativas e constituem o
cerne ou durâmen, de coloração mais escura, passando a ter apenas função de
sustentar o tronco.
•
A medula é um tecido macio, em torno do qual se verifica o primeiro crescimento da
madeira, nos ramos novos.
Na Figura 5 é possível observar a distinção dessas camadas principais, através da coloração.
Figura 5: Corte de um tronco, mostrando o cerne (no centro), alburno (parte mais clara) e a medula (ponto escuro no
centro) (WIKIPÉDIA FOUNDATION, 2006).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 11
As madeiras de construção devem ser tiradas de preferência do cerne, parte mais durável. A
madeira do alburno é mais higroscópica que a do cerne, sendo mais sensível do que esta última à
decomposição por fungos. Por outro lado, a madeira do alburno aceita melhor a penetração de
agentes protetores, como alcatrão e certos sais minerais.
Os troncos das árvores crescem pela adição de anéis em volta da medula; os anéis são gerados
por divisão de células em uma camada microscópica situada sob a casca, denominada câmbio,
ou líber, que também produz células da casca.
De acordo com a disposição e o arranjo dessas camadas de crescimento do tronco/caule, as
propriedades físicas principais da madeira, que é o material oriundo desse sistema orgânico, são
a: anisotropia, umidade, retração e dilatação linear.
4.1.1 Anisotropia
Devido à orientação das células/fibras, a madeira é um material anisotrópico, ou seja, não possui
as mesmas características nas três direções principais de aplicação do esforço. Podem-se definir
três direções principais: longitudinal, tangencial e radial, conforme observado na Figura 6.
Figura 6: Anisotropia da madeira. São indicadas as direções: longitudinal (L), radial (R) e tangencial (T) (PFEIL,
2003).
A anisotropia relativa às propriedades mecânicas está relacionada ao ângulo de aplicação do
esforço e a orientação das fibras.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 12
4.1.2 Umidade
A umidade da madeira tem grande importância sobre as suas propriedade. O grau de umidade é
o peso de água contido na madeira expresso como uma porcentagem do peso da madeira seca em
estufa. A quantidade de água das madeiras verdes ou recém cortadas varia muito com as espécies
e com a estação do ano. A faixa de variação da umidade das madeiras verdes tem como limites
aproximados 30% para as madeiras mais resistentes e 130% para as madeiras mais macias.
A umidade está presente na madeira de duas formas:
•
Água no interior da cavidade das células ocas (fibras) e
•
Água absorvida nas paredes das fibras
Em face do efeito da umidade nas outras propriedades da madeira, é comum referirem-se estas
propriedades a um grau de umidade-padrão. No Brasil e nos Estados Unidos, adotam-se 12%
como umidade-padrão de referência.
4.1.3 Retração
As madeiras sofrem retração ou inchamento com a variação da umidade entre 0% e o ponto de
saturação das fibras (30%), sendo a variação dimensional aproximadamente linear. O fenômeno,
conforme Figura 7, é mais importante na direção tangencial; para redução da umidade de 30%
até 0%, a retração tangencial varia de 5% a 10% da dimensão verde, conforme espécies. A
retração na direção radial é cerca da metade da direção tangencial. Na direção longitudinal, a
retração é menos pronunciada, valendo apenas 0,1% a 0,3% da dimensão verde, para secagem de
30% a 0%.
Figura 7: Vista isométrica da madeira, mostrando a retração ou inchamento nas três direções principais (PFEIL,
2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 13
4.2 Propriedades mecânicas
Existem diversas propriedades mecânicas que podem ser analisadas nas madeiras, de acordo com
sua eventual aplicação em um sistema estrutural. Neste texto citar-se-ão quatro casos, os quais
são os ensaios mais comuns realizados neste tipo de material: compressão paralela às fibras,
compressão normal às fibras, tração paralela às fibras e cisalhamento paralelo às fibras. O
módulo de elasticidade será comentado dentro desses quatro grupos e mais adiante no item da
análise de fluência do material.
4.2 1 Compressão paralela e normal às fibras
Observa-se a existência de um trecho linear, no qual o comportamento do material é elástico, até
a tensão limite de proporcionalidade. A partir daí verifica-se um comportamento não-linear, o
qual está associado à flambagem das fibras da madeira. Sob compressão axial as células que
compõem as fibras atuam como tubos de paredes finas, paralelos e colados entre si, conforme
representado na Figura 8 (b); o colapso envolve a fratura do material ligante e flambagem das
células. O módulo de elasticidade é dado pela inclinação da curva no trecho linear é calculado
com os valores de tensão e deformação correspondentes a 10% e 50% da carga de ruptura
estimada para o ensaio.
Figura 8: Ensaio de compressão paralela às fibras: (a) esquema do ensaio; (b) diagrama tensão x deformação; (c)
mecanismo de ruptura associado à flambagem das fibras (PFEIL, 2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 14
Na compressão normal, as fibras, que são constituídas por células ocas, quando comprimidas
transversalmente são achatadas precocemente, apresentando grandes deformações. Este
comportamento está representado no diagrama tensão x deformação pelo patamar quase
horizontal. O módulo de elasticidade em compressão normal às fibras é determinado com
procedimento semelhante ao do ensaio de compressão paralela às fibras.
4.2 2 Tração paralela às fibras
O comportamento à tração paralela às fibras é caracterizado pelo regime linear até tensões bem
próximas à de ruptura e por pequenas deformações. Na Figura 9 está ilustrado, em linha cheia, o
diagrama tensão x deformação para tração e, em linha tracejada o de compressão paralela às
fibras. Observa-se a menor resistência à compressão, acompanhada de maiores deformações do
que em tração (ruptura dúctil em compressão e frágil em tração).
Figura 9: Ensaio de tração paralela às fibras: (a) corpo-de-prova; (b) diagrama tensão x deformação (tração em linha
cheia); (c) mecanismo de ruptura (PFEIL, 2003).
4.2 3 Cisalhamento paralelo às fibras
O mecanismo de ruptura no cisalhamento paralelo às fibras envolve deslizamento entre fibras
adjacentes à seção do corte. No entanto, a resistência ao cisalhamento das madeiras na direção
normal às fibras é muito maior que na direção, de modo que, nos projetos, considera-se apenas
esta última.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 15
A tensão cisalhante é crítica em conexões e próxima aos locais de reações e pontos de carga
concentrada, logo é uma propriedade bastante importante. A tensão cisalhante paralela às fibras
possui um valor relativamente baixo, e é sensível a concentração de esforços, acarretando
cuidados especiais no dimensionamento para os locais que possuem entalhes.
4.3 Variação das propriedades mecânicas
4.3.1 Influência dos defeitos
Os defeitos de textura têm enorme influência na resistência das peças estruturais, em geral
reduzindo-a em relação aos corpos-de-prova isentos de defeitos. Os nós têm efeito predominante
na redução de resistência à tração, reduzindo também em menor escala as resistências à
compressão e ao cisalhamento. Defeitos decorrentes de secagem e decomposição também
reduzem a resistência. A presença de nós produz concentração de tensões e reduz a resistência da
madeira, sobretudo pelos desvios locais de direção das fibras.
4.3.2 Influência da umidade
A umidade também tem grande efeito sobre as propriedades das madeiras. Com o aumento da
umidade, a resistência diminui até ser atingido o ponto de saturação das fibras (30% de
umidade); acima desse ponto, a resistência mantém-se constante. Na Figura 10, vê-se um
diagrama de variação da resistência à compressão com a umidade.
Figura 10: Variação da resistência da madeira com o grau de umidade (PFEIL, 2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 16
4.3.3 Influência do tempo de duração da carga
A resistência das madeiras é determinada em ensaios, nos quais o carregamento atua durante
cerca de cinco minutos. Aplicando-se uma carga inferior a esta resistência durante um período
longo, observa-se que a madeira pode romper, após alguns dias ou meses (ruptura retardada). Por
outro lado, se uma peça é rompida sob impacto, sua tensão resistente será maior do que a obtida
no ensaio de curta duração (5 min).
A perda de resistência com o tempo de duração da carga pode ser encarada com um fenômeno de
acumulação de danos, tal como na fadiga dos materiais sob cargas cíclicas, só que para ação de
cargas permanentes. É notável a influência da umidade da madeira neste fenômeno: para uma
mesma deformação, uma peça com maior grau de umidade terá sua vida útil reduzida em relação
á outra peça de menor grau de umidade.
4.3.4 Fluência da madeira
A madeira é um material viscoelástico, ou seja, sua deformação sob esforços depende do
histórico do carregamento. Uma peça de material viscoelástico apresenta, além da deformação
elástica, um acréscimo de deformação com o tempo, mesmo com a carga sendo mantida
constante. Ao ser retirada a carga, somente uma parte da deformação é recuperada, mantendo-se
um resíduo de deformação variável com o tempo. A madeira sofre, portanto, deformação lenta
(fluência), sob a ação de cargas de atuação demorada, conforme observado na Figura 11.
Figura 11: Fluência da madeira. Acréscimo de uma deformação com o tempo de atuação da carga: (1) curva
correspondente a uma carga que produz ruptura retardada; a deformação cresce uniformemente, apresentando
acentuado incremento próximo à ruptura; (2) curva correspondente a uma carga inferior à da curva 1; a deformação
elástica imediata é acrescida de uma deformação de fluência que se estabiliza (PFEIL, 2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 17
4.3.5 Fadiga da madeira (ação de cargas cíclicas)
A resistência à fadiga de materiais fibrosos, como a madeira, é em geral superior á dos materiais
cristalinos, como os metais. Ensaios de fadiga, à tração simples, realizados em madeiras duras e
macias, revelaram-se que, para ciclos de carregamento com tensão mínima = 10% da tensão
máxima, a tensão máxima da ruptura, após 30 milhões de ciclos, é da ordem de 50% de
resistência medida em ensaios estáticos.
4.3.6 Efeitos de curta duração (impacto)
A resistência da madeira sob ação de cargas de duração muito curta (impacto) é maior do que a
obtida em ensaios rápidos. Sob a ação de cargas de impacto, a madeira apresenta também um
módulo de elasticidade mais elevado, cerca de 10% superior ao valor calculado em ensaio
estático.
5. PRINCIPAIS PRODUTOS
Os produtos derivados da madeira podem ser classificados em duas grandes categorias: madeiras
maciças e madeiras industrializadas. No grupo de madeiras maciças têm-se: madeira bruta ou
roliça, madeira falquejada e madeira serrada. Como madeiras industrializadas têm-se: madeira
compensada, madeira laminada e colada e madeira recomposta. A seguir caracteriza-se, segundo
PFEL (2003), os principais produtos destes dois grupos:
•
A madeira bruta ou roliça é empregada em forma de tronco, servindo para estacas,
escoramentos, postes, colunas, etc;
•
A madeira falquejada tem faces laterais aparadas a machado, formando seções
maciças, quadradas ou retangulares; é utilizada em estacas, cortina cravada, pontes
etc;
•
A madeira serrada é aquela que é trabalhada nas serrarias;
•
A madeira compensada é formada pela colagem de lâminas finas, com as direções
das fibras alternadamente ortogonais;
•
A madeira laminada e colada é o produto estrutural de madeira mais importante nos
países da Europa e América do Norte. A madeira selecionada é cortada em lâminas,
de 15 mm a 50 mm de espessura, que são coladas sob pressão, formando grandes
vigas, em geral de seção retangular.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 18
•
A madeira recomposta é o produto de resíduos de madeira serrada e compensada
convertidos em flocos e partículas colados sob pressão em forma de placas. Estas
placas não são consideradas materiais estruturais devido à baixa resistência e
durabilidade, sendo muito utilizadas em fabricação de móveis. As características
mecânicas destas placas dependem das dimensões das partículas e do adesivo usado;
•
A madeira reconstituída são os compensados, os aglomerados e as chapas de fibras,
não possuindo obrigatoriamente as características iniciais encontradas no material
natural.
O produto da madeira mais comum, e o mais utilizado na construção civil é a madeira serrada.
Ela é produzida de árvores que são abatidas de preferência ao atingir idades maduras, que é
percebida quando o cerne ocupa a maior parte do tronco, e é quando a mesma tem melhor
qualidade. Cada espécie tem um tempo para atingir esta maturidade, podendo chegar até cem
anos.
A madeira serrada sofre, em geral, um pré-tratamento, durante o período de secagem natural, que
tem como objetivo proteger a madeira recém serrada contra fungos e insetos xilófagos. O prétratamento pode ser dispensado quando a secagem da madeira é feita em estufas, mas de
qualquer forma, não deve ser considerado pelo consumidor como tratamento definitivo que visa
garantir sua proteção quando seca e em uso (TELLES; BALABAN, 2005).
A madeira serrada é produzida em serrarias, onde as toras, normalmente em forma cilíndrica, são
processadas em equipamentos tipo: serra circular, desdobradeira, desengrossadeira e plainadeira.
A sua produção esta diretamente relacionada com o número e as características dos
equipamentos utilizados e o rendimento baseado no aproveitamento da tora (volume serrado em
relação ao volume da tora), sendo este em função do diâmetro da tora (maiores diâmetros
resultam em maiores rendimentos) (IPT, 2003).
Há também a madeira beneficiada que é obtida pela usinagem das peças serradas, que após o
beneficiamento agrega valor às mesmas. Para esta operação são utilizados equipamentos com
cabeças rotatórias providas de facas, fresas ou serras que usinam a madeira dando-lhe a
espessura, largura e comprimento definitivos, forma e acabamento superficial. Podem-se incluir
as seguintes operações: aplainamento, molduramento e torneamento e ainda desengrosso,
desempeno, destopamento, recorte furação, respingado, ranhurado, entre outras. (IPT, 2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 19
Existem, em nosso país, outros produtos originados da madeira como: madeiras em lâminas,
painéis, compensado, chapas de fibra – chapa dura, e chapa de fibra – MDF (chapa de densidade
média), chapas de partículas – aglomeradas, chapas de partículas – OSB (painéis de partículas
orientadas), vigas laminadas e coladas preservadas contra ataque de insetos e fungos, além de
protegidas contra o fogo e umidade.
Em outros paises, especialmente do Hemisfério Norte, existem outros produtos oriundos da
madeira, como: a madeira serrada e classificada eletronicamente, geralmente coníferas, ensaiadas
não destrutivamente, em maquinas de alta velocidade, quanto à flexão estática e identificada
quanto à sua classe de resistência mecânica; madeira laminada e colada, na qual as tábuas são
dispostas e coladas com as suas fibras na mesma direção, ampliando o comprimento ou a
espessura (IPT, 2003).
A inovação tecnológica mais interessante, no campo de produtos de madeira, criada no ano de
2006 foi a “madeira líquida”. A partir da lignina cientistas alemães do Instituto Fraunhofer
criaram um novo tipo de composto. Com a mistura da lignina com fibras de sisal, cânhamo ou
linho e a adição de um aditivo químico - não revelado, devido a segredos industriais - geraram
um granulado que pode ser extrudado em equipamentos tradicionalmente utilizados na indústria,
que eles batizaram de “madeira líquida”. A madeira líquida permite que se construa virtualmente
qualquer objeto, conforme Figura 12, a partir de técnicas comuns de moldagem por injeção, a
mesma utilizada para a fabricação de produtos plásticos. Já patenteado, o novo material recebeu
o nome de Arboform®. Embora possa ser utilizada para fabricar qualquer tipo de produto, o que
mais tem feito sucesso é um suporte para bolas de golfe: como o material é totalmente
biodegradável, não é necessário se preocupar em recolher os pequenos pinos, que se decompõem
juntamente com os restos de grama (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2006).
Figura 12: Presépio confeccionado com madeira líquida (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2006).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 20
6. SISTEMAS ESTRUTURAIS
Entende-se que a madeira faz parte de um sistema estrutural quando o material é aplicado para
resistir esforços (cargas), sejam elas de tração, compressão ou cisalhamento. Existem diversos
sistemas estruturais onde a madeira pode ser aplicada, como pontes, telhados, cimbramentos
silos, etc. Nesse texto serão enfatizados três exemplos de aplicações: cimbramentos, montanharussa do parque de temático Hopi Hari em Vinhedo – São Paulo e vigamentos.
6.1 Cimbramentos
As características de elevada resistência e reduzido peso específico da madeira, aliadas a
facilidade de montagem e desmontagem de peças, tornaram este material vantajoso para uso em
estruturas de cimbramentos.
O cimbramento, ou “fôrma”, é definido como a estrutura que serve para sustentar o concreto
fresco até que este atinja resistência suficiente para suportar os esforços a que está submetido e
mantê-lo na geometria concebida em projeto, definindo sistema de fôrma como o conjunto das
fôrmas utilizadas para moldar a estrutura de concreto armado da edificação (ZORZI, 2002).
As fôrmas para concreto armado eram inicialmente confeccionadas com tábuas de madeira
serrada, evoluindo mais tarde para o uso de chapas de madeira compensada. O sistema
tradicional de fôrmas para painéis de viga e laje e seus escoramentos estão ilustrado na Figura
13.
Figura 13: Sistema tradicional de fôrmas de madeira para vigas e lajes em concreto (PFEIL, 2003).
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 21
6.2 Montanha-russa do parque temático Hopi Hari em Vinhedo-SP
Uma aplicação interessante de uma espécie de madeira foi observada por (CALIL, 2002). A
montanha-russa do parque temático Hopi Hari é uma importante estrutura de madeira mostrando
o potencial da utilização do gênero pinus na construção civil. A Montezum, conforme Figura 14,
é a quinta maior montanha-russa de madeira do mundo e está localizada no parque temático Hopi
Hari, em Vinhedo, São Paulo. Construída com a espécie de madeira yellow pine (equivalente, no
Brasil, ao pinus taeda), de origem norte-americana, a montanha-russa tem 1.024 m de extensão,
sendo estrutura em pórticos de madeira com dimensões de até 40 m de altura, apoiados em 1.235
blocos de concreto armado.
Figura 14: Montanha-russa do parque temático Hopi Hari (CALIL, 2002).
6.3 Vigamentos
Em um trabalho recente, PINTO (2004) faz uma análise de uma viga de madeira resistente à
ação do fogo. Como é de conhecimento a madeira é um material combustível, diferente do aço e
do concreto. Tal como os demais combustíveis sólidos, a madeira em condições normais, não se
queima diretamente: ele primeiro se decompõe em gases que, expostos ao calor, se convertem
em chamas que, por sua vez, aquecem a madeira ainda não atingida e promovem a liberação de
mais gases inflamáveis, alimentando a combustão tal qual um círculo vicioso. No exemplo da
Figura 15 observa-se o desempenho de vigas confeccionadas com diferentes materiais (madeira e
aço) expostas á ação do fogo.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 22
Figura 15: Vigas de madeira e aço após um incêndio: a estrutura de aço se deformou completamente, enquanto que a
viga de madeira ainda sustenta carga mesmo após o contato com fogo em altas temperaturas (PINTO, 2004).
Na Figura 16 é possível constatar que a madeira submetida a um severo incêndio teve sua seção
reduzida, mas não a ponto de eliminar sua capacidade de suportar seu próprio peso e peso extra
das barras de aço, que entraram em colapso devido à temperatura a que foram expostas.
Figura 16: Seção de uma viga de madeira laminada colada, exposta ao fogo durante 30 minutos (PINTO, 2004).
No estudo da madeira exposta ao fogo, as propriedades térmicas e as propriedades relacionadas à
resistência e rigidez são as que mais influenciam seu desempenho. A maioria destas propriedades
está relacionada a fatores próprios à madeira, como a densidade, o teor de umidade, a orientação
da grã (isto é, a disposição geral das células da madeira em relação ao eixo da peça estrutural), a
composição química, a permeabilidade, a condutividade térmica e fatores externos (como as
temperaturas de exposição ao fogo, duração da exposição e a ventilação no ambiente).
7. IMPACTO AMBIENTAL
O impacto causado pela extração de madeira para uso na construção civil não é pior do que o
impacto que causa a extração para outros tipos de utilização.Diante da exploração extrativista
sem plano de manejo adequado das matas nativas, que retira grandes volumes de apenas algumas
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 23
espécies definidas pelo mercado, a floresta não consegue se recompor naturalmente na mesma
velocidade, IPT (2003).
Exige-se uma mudança na apreciação dos impactos das atividades humanas sobre o ambiente, de
modo a compreender todo o ciclo de materiais no sistema sócio econômico, do momento que
estes são extraídos da natureza como recursos, até que estes são devolvidos a ela na forma de
resíduos e poluição.
A construção civil é considerada o maior consumidor de matérias e recursos energéticos nos
grandes centros urbanos, e também responsável por uma parcela da crise ambiental. Para atender
as necessidades da população quanto à habitação, infra-estrutura, no sistema atual, são
necessárias à fabricação de milhões de toneladas de cimento e aço os quais as matérias primas
não provêm de fontes renováveis e são grandes poluidores em forma de poeira, gases, etc, isso
sem considerar o consumo de energia para produção destas matérias prima que gera outra forma
de impacto ambiental. Durante a construção da obra são gerados resíduos os quais, na atualidade,
ainda são pouco reutilizados ou reciclados (FERREIRA, V.; BRITO, J., 2004 apud FREITAS,
2004).
Visto que a floresta nativa demora anos para produzir uma arvore até o ponto onde a mesma
pode ser utilizada a saída é a utilização de áreas reflorestamento onde a extração seja feita de
maneira sustentada e sejam plantadas espécies próprias para a construção, que tenham
características físicas e mecânicas de desempenho para este fim, garantindo a preservação da
floresta original. Na região centro-oeste existe áreas onde, através de estudo e pesquisa, são
selecionadas espécies próprias para serragem e as mesmas são clonadas e plantadas. No sul e
sudeste o eucalipto que se apresenta como um material econômico e adequado à construção civil
é outra espécie que vem sendo utilizado em larga escala em áreas de reflorestamento devido a
sua facilidade de adaptação nestas regiões e sua produção em curto prazo.
Devemos interferir para que nossas florestas não sejam destruídas de forma predatória, evitando
que a extinção de espécies da fauna e da flora prejudiquem toda a sociedade.
A madeira e seus derivados podem contribuir em muito para o desenvolvimento habitacional
sustentável, sem com isso termos que abolir um material ou outro que possua alto consumo
enérgico ou proveniente de recursos não renováveis (FREITAS, 2004). O que precisa é mostrar
que a madeira é uma excelente alternativa de matéria prima para este setor. Não se pode excluir
qualquer possibilidade de material a disposição da humanidade. O que deve ser feito é a
racionalização e a adequação do seu uso.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 24
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os aspectos importantes que podem ser observados neste trabalho são relativos à microestrutura
da madeira, no que diz respeito a sua origem natural e constituição orgânica. Através do estudo
dessa microestrutura peculiar do material (que é formada pela localização geográfica, tipo de
solo, e clima de origem do vegetal arbóreo) é possível compreender o comportamento
concernente às propriedades físicas e mecânicas. Uma vez conhecida a microestrutura do
material, entende-se que seu emprego possa ser viável e competitivo frente a versatilidade de
materiais atualmente utilizados em obras de engenharia em geral em outros produtos.
Além disso, conforme observado esse material possui vantagens quanto aos impactos ambientais
gerados no meio ambiente, contribuindo positivamente com o paradigma de sustentabilidade
enfatizado no panorama atual da engenharia civil.
Não foram citados neste trabalho aspectos ligados à degradação do material (madeira) por
agentes biológicos, no entanto esse assunto é explorado por diversos órgãos especializados, no
qual pode se citar o Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, que possui
trabalhos avançados e excelentes nessa área. Pode-se dizer de maneira bem superficial, que o
material tratado quimicamente (contra ação de agentes agressivos) conservará suas
características originais em todo seu ciclo de uso. No entanto, sugere-se que esse assunto seja
explorado em detalhes como sugestão de um trabalho futuro onde aspectos como manutenção,
tipos de tratamentos químicos, etc. sejam abordados amplamente.
A mensagem principal deste trabalho é informar que o desconhecimento por parte dos usuários e
engenheiros que lidam com obras civis, gera um preconceito contra o material madeira, e, faz
com que este material fique renegado a segundo plano, a sub-aplicações, etc. Portanto, quando
este material é utilizado, é conferido um alto coeficiente de segurança que muitas vezes
inviabiliza o seu uso/aplicação.
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto de estruturas de madeira
– NBR 7190, Rio de Janeiro, 1997.
PFEIL, W.; PFEIL, M. Estruturas de madeira. 6.ed. Rio de Janeiro: Ed. LTC, 2003. 224p.
ZENID, G. J.; CECCANTINI, G. C. T; CHIMELO, J. P. Identificação Botânica de Madeiras.
São Paulo: IPT – Curso de Educação Continuada – Laboratório de Anatomia e Identificação de
madeiras, Divisão de Produtos Florestais, 2005. 67p.
PCC5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados aos Materiais de Construção Civil - 25
IPT - INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO.
Madeira: uso sustentável na construção civil. São Paulo: IPT, 2003 (Publicação IPT: 2980).
59p.
MONTANA QUÍMICA S.A. São Paulo: Biodeterioração e preservação de madeiras, 1991.
75p.
FREITAS, R. R. Classificação de peças estruturais de pínus spp. pela MSR (Machine Stress
Rate). 2004. 146p. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. São
Carlos, 2004.
ZORZI, A. C. Fôrma com molde em madeira para estruturas de concreto armado:
recomendações para melhoria da qualidade da produtividade com redução de custos. 2002.
213p. Dissertação (Mestrado Profissional em Habilitação) – Instituto de Pesquisas Tecnológicas
do Estado de São Paulo - IPT. São Paulo, 2002.
TELLES, R. C. D.; BALABAN M. A. Madeira e seus derivados. Trabalho apresentado no
seminário da disciplina de mestrado PCC 5726 – Princípios da Ciência dos Materiais Aplicados
aos Materiais de Construção Civil, Escola Politécnica da Universidade São Paulo (USP), São
Paulo, 2005. Não publicado.
CALIL JR., C. O potencial do uso doa madeira de pínus na construção civil. Revista Téchne,
São Paulo, n.60, p.44-48, março 2002.
PINTO, E. M. A Madeira: um Material Construtivo resistente ao Fogo. Revista Eletrônica de
Ciências, n.27, 2004. Disponível em:
<http://www.cdcc.sc.usp.br/ciencia/artigos/art_27/madeira.html>. Acesso em: 15 Abr. 2006.
WIKIPÉDIA FOUNDATION. Apresenta informações sobre assuntos gerais sobre vários temas
em uma enciclopédia virtual. Disponível em:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Madeira>. Acesso em:
15 Abr. 2006.
INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, São Paulo. Apresenta informações sobre inovações
tecnológicas em diversas áreas científicas. Disponível em:
<http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160060307>.
em: 15 Abr. 2006.
Acesso