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8/17/2019 Apostila+1+Estrutura+de+Madeira
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ESTRUTURA DE MADEIRA
Apostila 1: Propriedades físicas da madeira
Professor M.Sc. Ewerhon Mattos Paterlini
Engenharia Civil - 2014/2
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PROPRIEDADES FÍSICAS DA MADEIRA
A madeira é o material de construção mais antigo, dada a sua disponibilidade na natureza
e sua relativa facilidade de manuseio.
Mas o que é madeira?
Madeira é um material orgânico, de origem vegetal, encontrada tanto em florestas
naturais quanto em florestas artificiais resultantes de reflorestamentos industrializados.
Sua fonte é abundante e renovável.
Botanicamente, as árvores são classificadas como Fanerogamas, que constituem um
grupo de plantas superiores, de elevada complexidade anatômica e fisiológica. O grupo
das Fanerogamas se subdivide em Gimnospermas e Angiospermas.
Na classe das Gimnospermas destacam-se as coníferas, também conhecidas como
madeiras moles ou “softwoods”. Possuem folhas em forma de agulhas ou escamas, e
sementes agrupadas em forma de cones. Possuem crescimento rápido. Constituem
praticamente sozinhas, principalmente no hemisfério norte, grandes florestas e fornecem
madeiras das mais empregas na indústria e na construção civil. Exemplo: pinheiro-do-
paraná ( Araucaria angustifolia), pinus, pinheiros europeus, norte-americanos, etc.
Na classe das Angiospermas há uma subdivisão: Monocotiledôneas e Dicotiledôneas. As
Monocotiledôneas compreendem as palmas e as gramíneas. As palmas não apresentam
madeiras de boa durabilidade, mas podem ser utilizadas em estruturas temporárias, como
escoramentos e cimbramentos. Nas gramíneas destaca-se o bambu, que não é madeira
no sentido usual da palavra, mas por possuir boa resistência mecânica associada à sua
baixa densidade, pode-se utilizar para construção leve. Já as Dicotiledôneas são
usualmente designadas como madeiras duras ou “hardwoods”. Possuem folhas
achatadas e largas e crescimento lento. Exemplo: peroba, ipê, aroeira, carvalho, etc. As
folhosas de melhor qualidade são também chamadas madeiras de lei.
Geralmente, as folhosas perdem suas folhas no outono, enquanto as coníferas mantém
suas folhas verdes todo o ano.
As classes distinguem-se pela estrutura celular e não propriamente pela resistência.
O crescimento principal da árvore ocorre verticalmente, sentido contínuo e apresentando
variações em função das condições climáticas e da espécie da madeira. Além desse
crescimento vertical, ocorre também um aumento do diâmetro do tronco devido ao
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crescimento das camadas periféricas responsável pelo crescimento horizontal (câmbio).
No corte transversal de um tronco de árvore essas camadas aparecem como anéis de
crescimento.
Figura 1- Descrição simplificada da anatomia da árvore (fonte: RITTER, 1990)
Do ponto de vista macroscópico, podem-se observar as seguintes características: do
crescimento vertical resulta a medula (madeira mais fraca ou defeituosa); ao conjunto dos
anéis de crescimento chama-se lenho, o qual apresenta-se recoberto por um tecido
especial chamado casca; entre a casca e o lenho existe uma camada extremamente
delgada, aparentemente fluida, denominada câmbio.
A seiva bruta, retirada do solo, sobe pela camada periférica do lenho, o alburno, até as
folhas, onde se processa a fotossíntese produzindo a seiva elaborada que desce pela
parte interna da casca, o floema, até as raízes. Parte dessa seiva elaborada é conduzida
radialmente até o centro do tronco por meio dos raios medulares.
As substâncias não utilizadas pelas células como alimento são lentamente armazenadas
no lenho. A parte do lenho modificada por essas substâncias é designada como cerne,
geralmente mais densa, menos permeável a líquidos e gases, mais resistente ao ataque
de fungos apodrecedores e de insetos e apresenta maior resistência mecânica. Em
contraposição, o alburno, menos denso, constituído pelo conjunto das camadas externas
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do lenho, mais permeável a líquidos e gases está mais sujeito ao ataque de fungos
apodrecedores e insetos, além de apresentas menos resistência mecânica.
As madeiras de construção devem ser retiradas de preferência do cerne, mais durável.Entretanto, a madeira de alburno aceita melhor a penetração de agentes protetores, como
alcatrão e certos sais minerais.
Em regiões de estações bem definidas, como regiões de climas frios e temperados, o
crescimento do tronco depende da estação. Na primavera e no início do verão, o
crescimento da árvore é intenso, formando-se no tronco de células grandes de paredes
finas. No final do verão e no outono, o crescimento da árvore diminui, formando-se células
pequenas, de paredes grossas. Como consequência, o crescimento do tronco se faz emanéis anuais, formados por duas camadas: uma clara, de tecido brando, correspondente à
primavera; outra escura, de tecido mais resistente, correspondente ao verão. Contando-se
os anéis, pode-se saber a idade da árvore. Nos climas equatoriais, os anéis nem sempre
são perceptíveis.
Devido à orientação das células, a madeira é um material anisotrópico, apresentando três
direções principais: longitudinal, radial e tangencial. Anisotropia é uma característica que
uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção. A
diferença de propriedades entre as direções radial e tangencial raramente tem
importância prática, bastando diferenciar as propriedades na direção das fibras principais
(direção longitudinal) e na direção perpendicular às mesmas fibras.
Figura 2 - Eixos principais da madeira em relação à direção das fibras (Fonte: Timber Bridges).
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A madeira é constituídas principalmente por substâncias orgânicas. Os principais
elementos constituintes apresentam-se nas seguintes porcentagens aproximadas,independentemente da espécie vegetal considerada: 50% de carbono, 44% de oxigênio e
6% de hidrogênio. O composto predominante é a celulose, que constitui cerca de 50% da
madeira, formando os filamentos que reforçam as paredes das fibras longitudinais. Outros
dois componentes importantes são as hemiceluloses (20 a 25%) e a lignina (20 a 30%)
que envolvem as macromoléculas de celulose, ligando-as. A lignina provê rigidez e
resistência à compressão às paredes das fibras. A estrutura da madeira ainda apresenta
pequenas quantidades (0,2 a 1%) de sais minerais, que constituem os alimentos dos
tecidos vivos. Esses minerais produzem as cinzas quando a madeira é queimada.
Algumas espécies vegetais apresentam ainda materiais, como resinas, óleos, ceras, etc.,
que são depositados nas cavidades das células, produzindo coloração e cheiro
característicos da espécie.
Podem-se destacar os seguintes fatores que influem nas características físicas da
madeira: classificação botânica, o solo e o clima da região de origem da árvore, fisiologia
da árvore, anatomia do tecido lenhoso e variação da composição química.
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 e resistência química.
Umidade
A umidade da madeira tem grande importância sobre as suas propriedades. O grau de
umidade U é o peso de água contido na madeira expresso como uma porcentagem do
peso da madeira seca em estufa Ps até a estabilização do peso.
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 folhosas e 130% para coníferas.
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.
Quando a madeira é posta a secar, evapora-se a água contida nas células ocas,
atingindo-se o ponto de saturação das fibras, no qual as paredes das células ainda estão
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saturadas, porém a água no seu interior se evapora. Este ponto corresponde ao grau de
umidade de cerca de 30%. A madeira é denominada, então, meia seca. Continuando-se a
secagem, a madeira atinge um ponto de equilíbrio com o ar, sendo, então, denominada
seca ao ar. O grau de umidade desse ponto depende da umidade atmosférica, variando
geralmente entre 10 e 20% para a umidade relativa do ar entre 60 e 90% e a 20°C de
temperatura.
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.
Devido à natureza higroscópica da madeira, o grau de umidade de uma peça em serviçovaria continuamente, podendo haver variações diárias ou de estação.
Densidade
A norma brasileira apresenta duas definições de densidade a serem utilizadas em
estruturas de madeira. A primeira é a densidade básica da madeira, definida como a
massa específica convencional obtida pelo quociente da massa seca pelo volume
saturado e pode ser utilizada para fins de comparação com valores apresentados na
literatura internacional. A segunda, definida como densidade aparente, determinada para
uma umidade-padrão de referência de 12%, pode ser utilizada para a classificação da
madeira e nos cálculos de estruturas.
Retratibilidade
Define-se retratibilidade como sendo a redução das dimensões em uma peça da madeira
pela saída de água de impregnação.
Como visto anteriormente a madeira apresenta comportamentos diferentes de acordo
com a direção em relação às fibras e aos anéis de crescimento. Assim, a retração ocorre
em porcentagens diferentes nas direções tangencial, radial e longitudinal.
Em ordem decrescente de valores, encontra-se a retração tangencial com valores de até
10% de variação dimensional, também pode causar problemas de torção nas peças de
madeira. Na sequência, a retração radial com valores na ordem de 6% de variação
dimensional, também pode causar problemas de rachaduras nas peças de madeira. Por
último, encontra-se a retração longitudinal com valores de 0,5% de variação dimensional.
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Um processo inverso também pode ocorrer, o inchamento, que se dá quando a madeira
fica exposta a condições de alta umidade onde ao invés de perder água ela absorve,
provocando um aumento nas dimensões das peças.
A retração volumétrica é aproximadamente igual à soma das três retrações lineares
ortogonais.
Resistência da madeira ao fogo
Erroneamente, a madeira é considerada um material de baixa resistência ao fogo. Isto se
deve, principalmente, à falta de conhecimento das suas propriedades de resistência
quando submetida a altas temperaturas e quando exposta à chama, pois, sendo bem
dimensionada ela apresenta resistência ao fogo superior à de outros materiais estruturais.
Uma peça de madeira exposta ao fogo torna-se um combustível para a propagação das
chamas, porém, após alguns minutos, uma camada mais externa da madeira se
carboniza tornando-se um isolante térmico, que retém o calor, auxiliando, assim, na
contenção do incêndio, evitando que toda a peça seja destruída. A proporção de madeira
carbonizada com o tempo varia de acordo com a espécie e as condições de exposição ao
fogo. Entre a porção carbonizada e a madeira sã encontra-se uma região intermediária
afetada pelo fogo mas não carbonizada, porção esta que não deve ser levada em
consideração na resistência.
Figura 3 - Resistência ao fogo (Fonte: RITTER, 1990)
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Outra característica importante da madeira com relação ao fogo é o fato de não
apresentar distorção quando submetida a altas temperaturas, tal como ocorre com o aço,dificultando assim a ruína da estrutura.
Figura 4 - Aço contorcido apoiado em uma viga madeira carbonizada (Fonte: RITTER, 1990)
Durabilidade natural
A durabilidade da madeira, com relação à biodeterioração, depende da espécie e das
características anatômicas. Certas espécies apresentam alta resistência 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, pois, como visto
anteriormente, o cerne e o alburno apresentam características diferentes, incluindo-se
aqui a durabilidade natural, com o alburno sendo muito mais vulnerável ao ataque
biológico.
A baixa durabilidade natural de algumas espécies pode ser compensada por um
tratamento preservativo adequado às peças, alcançando-se assim melhores níveis de
durabilidade, próximos dos apresentados pelos espécies naturalmente resistentes.
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Resistência química
A madeira, em linhas gerais, apresenta boa resistência a ataques químicos. Em muitas
indústrias é preferida em lugar de outros materiais que sofrem mais facilmente o ataquede agentes químicos. Em alguns casos a madeira pode sofrer danos devidos ao ataque
de ácidos ou bases fortes. O ataque das bases provoca aparecimento de manchas
esbranquiçadas decorrentes da ação sobre a lignina e as hemiceluloses da madeira. Os
ácidos também atacam a madeira causando uma redução no seu peso e na sua
resistência.
Referencial teórico
CALIL JUNIOR, C. SET 406 – Estruturas de Madeira - Notas de aula. Laboratório de
Madeiras e de Estruturas de Madeira (LaMEM), São Carlos, 1998.
PFEIL, Walter; PFEIL, Michéle Schubert. Estruturas de madeira: dimensionamento
segundo a Norma Brasileira NBR 7190/97 e critérios das Normas Norte-
americana NDS e Européia EUROCODE 5. 6. ed. rev., atual. e ampl. Rio deJaneiro: LTC, 2003. 223 p.