Propriedades físicas e mecânicas da madeira

A resistência da madeira pode ser influenciada por diversos fatores como a sua espécie florestal, o local de extração dessa mesma madeira do próprio tronco da árvore, a existência de defeitos abordada no ponto 2.1.4., o seu teor em água e a temperatura, este último, regra geral, não é fator condicionante, (Argüelles, 1996).

A resistência mecânica de uma madeira é inversamente proporcional ao seu teor em água em cada momento, para valores abaixo do Ponto de Saturação das Fibras - PSF. Esta apresenta as resistências mais elevadas quando se encontra seca e vai diminuindo com o aumento do teor em água, Figura 7. A temperatura regra geral não é fator condicionante da resistência mecânica da madeira (Argüelles, 1996).

Figura 7 - Relação entre a humidade e a resistência mecânica (Argüelles, 1996)

2.1.5.1 Propriedades físicas

As propriedades físicas com maior importância são a humidade e higroscopicidade da madeira, a sua densidade, a retractilidade e a sua reação e resistência ao fogo.

2.1.5.1.1 Humidade e higroscopicidade

A água pode ser encontrada na madeira de várias formas:

Água de constituição - que está intimamente ligada à substância lenhosa;

Água de impregnação (ou embebição) - preenche os espaços entre os constituintes da

parede celular, mediante forças de atração intermolecular ou infiltrada por capilaridade. A sua saída provoca a aproximação das fibras e das micelas, provocando a retração da madeira, e faz aumentar a sua resistência e rigidez. Após libertação da água livre, o teor em água pode variar consoante a higrometria do ambiente a que está exposta, fenómeno de higroscopicidade. Este fenómeno pode interferir nas propriedades físicas e mecânicas sendo tanto maior quanto menor for o teor em água, correspondente à água de impregnação (Capuz, 2003).

Figura 8 - Gráfico de curvas de equilíbrio higroscópico (Benoit, 1997)

Água livre - preenche os espaços vazios da estrutura alveolar da madeira, não possuindo

O teor em água e a sua influência na resistência deve ser considerados na avaliação da segurança durante situações transitórias, como a fase de montagem, em que a madeira poderá eventualmente ficar exposta à chuva, e principalmente, quando colocada nas condições de serviço (LNEC, 1997c).

Assim, as madeiras aplicadas com fins construtivos deverão ter um teor em água o mais próximo possível da humidade de equilíbrio higroscópico correspondente às condições higrotérmicas de serviço, evitando assim variações volumétricas que possam originar anomalias diversas. A caracterização da madeira em verde, semi-seca, seca, seca ao ar, dessecada e completamente seca ou anidra é função do teor em água (Sardinha, 1988).

2.1.5.1.2 Massa Volúmica

A massa volúmica é uma medida de peso por unidade de volume. Nas madeiras a densidade é normalmente considerada em termos de densidade aparente não sendo deduzido o volume de vazios ao volume aparente. O teor em água tem então uma influência elevada na densidade da madeira tanto em termos de peso como de volume. A expressão que traduz a massa volúmica é:

= ( / ) (1)

Sendo o peso do provete de madeira para o teor em água h (g) e o volume do provete

de madeira para o teor em água h (cm3).

Uma vez que o teor em água tem uma forte influência na densidade, esta característica deve ser corrigida para um teor em água corresponde a 12%, vulgarmente denominada água padrão (Carvalho, 1996a).

Figura 9 - Diagrama de Kollmann (humidade-peso específico) (Carvalho, 1996a)

Apesar da dificuldade de estabelecer uma correlação perfeita entre a densidade de uma madeira e a sua resistência constata-se que nas resinosas, quando os anéis apresentam espessuras maiores (rápido crescimento) são mais leves que as resinosas que apresentam um crescimento mais rápido em que os anéis apresentam uma espessura mais reduzida, que são madeira mais pesadas.

É ainda importante salientar que a madeira apresenta uma valor de densidade bastante baixo tendo em conta o seu comportamento quando testada a sua resistência mecânica e módulo de elasticidade, revelando grandes potencialidades como material estrutural (Capuz, 2003).

2.1.5.1.3 Retractabilidade

Como já foi referido anteriormente o teor em água vai variando, entre o saturado e o anidro, no interior da madeira no sentido de atingir o equilíbrio higroscópico com o meio, preenchendo/libertando os vazios das suas paredes celulares o que resulta na variação das dimensões da madeira.

Podemos considerar dois tipos de retractabilidade: a volumétrica que traduz a variação volumétrica da peça de madeira para um determinado teor em água, e a linear com um

conceito semelhante ao anterior mas que entra em linha de conta com a variação dimensional nas 3 orientações.

A anisotropia da madeira está relacionada com a existência de dois extratos diferente a constituir os anéis de crescimento anuais, o lenho primaveril e o lenho outonal. Sendo que o lenho outonal com paredes celulares muito mais espessas apresenta movimento de expansão e retração superiores ao lenho primaveril (Carvalho, 1996a).

Todas estas variações e diferenças levam à existência de tensões internas diferenciais que muitas vezes estão na origem de defeitos como os empenos, as rachas e fendas.

Figura 10 - Efeitos da deformação por contração, em função do tipo de corte (Vignote, 1996)

2.1.5.1.4 Reação e resistência ao fogo

Relativamente à reação ao fogo o que podemos dizer é que a madeira, por ser um material combustível que possui elementos de carbono, de oxigénio e hidrogénio fornecidos pela celulose e pela lenhina, apresenta um mau desempenho. Podemos definir a combustão como um processo químico de reação rápida e exotérmica, iniciado por uma ignição, a chama, entre um combustível, a madeira e um comburente, o oxigénio.

A madeira apresenta-se como um material cuja reação ao fogo não é muito boa, ainda que a sua resistência perante este elemento seja bastante melhor. A madeira é normalmente classificada como pertencente à classe M3 ou M4, no que respeita à reação ao fogo.

Em relação á resistência ao fogo, sendo esta definida como o período de tempo durante o qual a madeira mantém as suas propriedades físicas e mecânicas intactas, quando expostas ao calor, podemos referir que apresenta um bom comportamento. O início da carbonização da madeira ocorrer por volta dos 280ºC, a partir das faces expostas ao fogo. O carvão que se forma permanece aderente e tendo em conta que se trata de um bom isolante térmico (cerca de 3 vezes superior à madeira, já de si isolante), contribui par retardar a subida da temperatura, assim, a temperatura da superfície exterior pode não ser suficiente para a progressão da carbonização, autoextinguindo-se, (Cruz) mesmo num incêndio onde sejam atingidas temperaturas de 100ºC a madeira conserva durante algum tempo uma boa resistência mecânica, ao contrário do que se verifica numa peças metálica cuja resistência diminui drasticamente quando se atinge temperaturas da ordem dos 300ºC devido à alteração das suas propriedades físico-mecânicas.

Figura 11 – Baixa condutibilidade térmica da madeira sob ação do fogo (Silva, 2013)

Verifica-se que o fogo degrada a madeira não pela diminuição das suas propriedades mecânicas devido à ação da madeira mas essa diminuição das propriedades ocorre pela redução da sua seção, Figura 11, (Júnior, 2006).

Assim uma das formas possíveis de garantir uma dada resistência ao fogo para estruturas de madeira passa pelo sobredimensionamento das seções transversais dos elementos de madeira, complementado com a proteção adequada dos ligadores (Silva, 2013).

Um dos fatores que interfere com a reação ao fogo é a densidade da madeira e o teor em água. No primeiro caso verifica-se qua quanto maior a densidade menor é a facilidade e a velocidade de combustão por outro lado a presença de água também atrasa o processo, no entanto, nesta fase o teor em água já não é muito elevado (Júnior, 2006).

2.1.5.2 Propriedades mecânicas

O estudo do comportamento mecânico da madeira implica um conhecimento sobre a sua estrutura anatómica dada a sua complexidade e variabilidade. É necessário avaliar individualmente os tipos de solicitações a que a madeira está sujeita, a sua grandeza, duração e direção. A direção é mesmo um fator que conduz a elevadas diferenças nos resultados obtidos daí a necessidade de realização de vários ensaios nas duas direções para obter uma melhor e mais completa caracterização das propriedades mecânicas, Figura 12.

Figura 12 - Diagrama de valores de resistência global da madeira, em função do esforço instalado (Carvalho, 1996a)

Para caracterizarmos mecanicamente a madeira é necessário testá-la nas duas direções principais, axial (tensões no sentido paralelo às fibras) e transversal (tensões dispostas perpendicularmente às fibras).

Seguidamente apresenta-se uma análise resumida das principais propriedades mecânicas da madeira:

• Resistência à tração paralela às fibras ou axial; • Resistência à compressão paralela às fibras ou axial; • Resistência à flexão estática, paralela às fibras; • Resistência à tração perpendicular às fibras;

• Resistência ao fendimento, perpendicular às fibras; • Resistência à compressão perpendicular às fibras;

• Resistência ao corte ou escorregamento, perpendicular às fibras.

2.1.5.2.1 Resistência à tração paralela às fibras ou axial

Comparando com outros esforços, a resistência à tração no sentido paralelo às fibras ou axial é bastante elevada. Esta pode ser até 3 vezes superior à compressão axial para peças livres de defeitos (Sardinha, 1988).

Figura 13 – Tração paralela às fibras de provete de madeira (Santos, 2011)

Efetivamente o que acontece é que ao tracionar as fibras aproximam-se aumentando a coesão e a aderência, Figura 13. Quando surgem elementos estruturais com valores de rotura inferiores ao referido muitas vezes, deve-se a outro tipo de solicitações. Como por exemplo,

as zonas de ligação entre elementos estruturais onde ocorre a interrupção das fibras e a instalação de esforços secundários (Júnior, 2006).

2.1.5.2.2 Resistência à compressão paralela às fibras ou axial

Ao contrário do que acontece na tração a compressão axial provoca o afastamento das fibras o que levará à diminuição da coesão e consequentemente a resistência global. Assim, a resistência à compressão axial é cerca de 40% menor que a resistência à tração, para o Pinho Bravo, relação que se verifica nas restantes espécies (Júnior, 2006).

De acordo com a norma portuguesa NP 618:1973 a tensão de rotura por compressão paralela

às fibras ou axial ( ), para um determinado teor de humidade H% é dada pela expressão:

=

ℎ (2)

Em que é a força de rotura (kgf), e ℎ são as dimensões transversais da peça de madeira

(mm).

O valor obtido deverá ainda ser corrigido para um valor de teor de humidade correspondente a 12% de acordo com a expressão:

= 1 + ( − 12) (3)

Em que é o coeficiente calculado experimentalmente (por defeito, adota-se 0,05).

Fatores como o teor em água, a massa volúmica e os defeitos existentes também podem influenciar a resistência dos elementos de madeira, este último com menor peso. Assim, a resistência máxima será obtida quando a madeira está sob estado anidro e a massa volúmica tiver valor elevado. Por outro lado, quando maior o teor em humidade e menor a massa volúmica menor será a resistência, sendo o menor valor quando se supera o PSF-Ponto de Saturação das Fibras (humidade superior a 30%) (Júnior, 2006).

2.1.5.2.3 Resistência à flexão estática

A madeira possui uma elevada resistência à flexão estática atingindo valores próximos da resistência à tração paralela às fibras, Figura 14.

Figura 14 – Flexão estática de uma viga de madeira (Santos, 2011)

De acordo com a norma de ensaio NP 619:1973 a tensão de rotura à flexão estática ( )

para uma humidade H% é dada pela seguinte expressão:

= 3 "

2 ℎ #%$ (4)

Em que é a força de rotura (kgf), e ℎ são dimensões transversais da peça de madeira

(mm) e " é o vão da peça (mm).

O valor obtido deverá ainda ser corrigido para um valor de teor de humidade correspondente a 12% de acordo com a expressão:

= 1 + ( − 12) (5)

Em que é o coeficiente calculado experimentalmente, (por defeito, adota-se 0,04).

A influência exercida pelo teor em água, massa volúmica e os defeitos da madeira na resistência à flexão estática é semelhante à influência que estes mesmos fatores têm na resistência à compressão paralela às fibras.

Outra característica que é essencial avaliar é o módulo de elasticidade à flexão estática no sentido de perceber a flexibilidade e rigidez do material e o módulo de elasticidade dinâmico para apurar a resiliência da peça.

2.1.5.2.4 Resistência à tração perpendicular às fibras

as ligações intercelulares transversais, tudo isto condiciona e reduz a resistência do elemento estrutural da madeira nessa direção.

Figura 15 - Tração perpendicular às fibras de provete de madeira (Santos, 2011)

A resistência à tração normal, ao contrário do que acontece com os restantes esforços referidos até aqui não é influenciada pela massa volúmica uma vez que esta não interfere com a aderência entre as fibras da peça de madeira, Figura 15, (Sardinha, 1988).

De acordo com a norma NP 621:1973, a tensão de rotura à tração perpendicular às fibras ( _& ) para uma determinada humidade H% é dada pela expressão:

& =_' (6)

Em que é a força de rotura (kgf), ' é a dimensão longitudinal da peça de madeira (mm) e

é a dimensão transversal da peça de madeira (mm).

O valor obtido deverá ainda ser corrigido para um valor de teor de humidade correspondente a 12% de acordo com a expressão:

& = & 1 + ( − 12) (7)

2.1.5.2.5 Resistência ao fendimento

A resistência ao fendimento corresponde à resistência que a madeira oferece ao descolamento entre as fibras provocada por um esforço de tração atuante numa única superfície e dá-nos indicação da coesão da madeira.

Assim a força unitária de fendimento ( ′ ) é dada em função da largura do provete pela

expressão:

′ = (8)

Em que é a força de rotura (kgf) e é a dimensões transversal da peça de madeira (mm).

O valor obtido deverá ainda ser corrigido para um valor de teor de humidade correspondente a 12% de acordo com a expressão:

′ = ′ 1 + )( − 12) (9)

Em que ₎ é o coeficiente calculado experimentalmente, (por defeito, adota-se 0,015).

2.1.5.2.6 Resistência à compressão perpendicular às fibras

A resistência à compressão perpendicular às fibras é função da massa volúmica e corresponde à sua resistência ao esmagamento. Esta é aproximadamente 20 a 25% inferior à resistência à compressão no sentido paralelo às fibras, (Carvalho, 1996a).

2.1.5.2.7 Resistência ao corte ou escorregamento

Em função da orientação do fio da madeira a resistência ao corte pode ocorrer de três formas. Tensões tangenciais, normais às fibras, paralelas às fibras e oblíquas às fibras, Figura 16.

É no caso das tensões tangenciais paralelas às fibras que se verificam desempenhos piores e que provocam o deslizamento da madeira. Tratando-se este cenário do mais desfavorável de todos os ensaios são em geral realizados apenas para tensões de corte paralelas às fibras. Neste caso a existência de defeitos como fendas e fissuras pode influenciar o resultado final (Sardinha, 1988).

Figura 16 – Corte paralelo e transversal à orientação das fibras na madeira (Santos, 2011)

A tensão de rotura por corte longitudinal (* ) para uma humidade h%, é dada pela expressão:

* =

' (10)

Em que é a Força de rotura (kgf), ' é a dimensão longitudinal da peça de madeira (mm) e

a dimensão transversal da peça de madeira (mm).

O valor obtido deverá ainda ser corrigido para um valor de teor de humidade correspondente a 12% de acordo com a expressão:

* = * 1 + +( − 12) (11)

Em que ₊ é o coeficiente calculado experimentalmente, (por defeito, adota-se 0,05).