Patrícia Isabel Guedes Pereira
Avaliação de vigas de madeira de Castanho
tendo por base a classificação visual e ensaios
não destrutivos
Patrícia Isabel Guedes Pereira
A
valiação de vigas de madeir
a de Cas
tanho tendo
por base a classificação visual e ensaios não des
tr
utiv
os
Dissertação de Mestrado
Mestrado Internacional em
Sustentabilidade do Ambiente Construído
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor Jorge Manuel Gonçalves Branco
e corientação do
Professor Doutor Afonso António de Serra Neves
Patrícia Isabel Guedes Pereira
Avaliação de vigas de madeira de Castanho
tendo por base a classificação visual e ensaios
não destrutivos
AGRADECIMENTOS
A primeira pessoa a quem gostaria de agradecer é ao meu co-orientador Professor Afonso Serra Neves, não só pelo desafio lançado na realização da tese sobre madeiras, como pela confiança depositada e pela disponibilização de meios financeiros, mecânicos e humanos sem os quais a realização deste trabalho não seria possível.
Agradeço também ao meu orientador Professor Jorge Branco pela definição do tema, orientação, paciência e palavras de entusiasmo sempre que o ânimo faltava. Ainda na Universidade do Minho, não posso deixar de agradecer ao Eng. Helder Sousa pelo apoio, orientações e transmissão de conhecimento através de dicas que permitiram melhorar e valorizar este trabalho.
A realização desta tese só foi possível devido ao apoio de várias pessoas. Como tal, queria deixar o meu obrigado a todos os funcionários do LEMC – Laboratório de Ensaio de Materiais de Construção da FEUP, em especial aqueles que mais colaboraram na realização dos ensaios como o Gilberto Costa e o Paulo Oliveira não me esquecendo do Manuel Cardoso e do Fernando Hora cujo contributo foi essencial. Uma palavra de agradecimento á minha colega Dora Pinheiro pela sua permanente disponibilidade e ajuda na tentativa de colmatar as minhas ausências no emprego.
Não posso deixar de agradecer ao Eng. Tiago Ílharco da empresa NCREP pela disponibilização de informações referentes aos ensaios realizados e à cedência das fotografias de sua autoria tiradas durante a realização dos mesmos.
No LESE da FEUP quero deixar um especial agradecimento ao Professor Arêde e ao Professor Miranda Guedes pela disponibilização de resultados de ensaios realizados às vigas. Quero ainda agradecer ao Eng. Jerónimo Botelho e à Engª Ana Gomes pelo apoio e participação na realização de ensaios comparativos com o resistógrafo.
Deixo ainda um grande obrigado a todos os meus colegas de curso que me acompanharam nesta jornada em especial aos meus amigos do eterno Greygroup pelo companheirismo, pela entreajuda e por terem tornado este caminho mais divertido.
Por último, e porque o melhor guarda-se sempre para o fim, quero agradecer à minha família, em especial aos meus pais, à minha irmã e ao meu marido por estarem sempre comigo nos momentos difíceis, por me apoiarem e incentivarem e por compreenderem as minhas ausências. Agradeço-lhes por me ajudarem a ser uma pessoa melhor e mais determinada, focada na concretização dos objetivos a que me proponho, em especial, na realização desta dissertação.
RESUMO
Tem-se vindo a assistir a um crescente interesse pela preservação do património edificado não só em consequência da crise instalada no setor da construção mas também de pressões políticas e sociais. A degradação do património histórico e as dificuldades que o setor da construção atravessa, levaram a uma maior aposta na reabilitação em detrimento da construção nova. Este novo paradigma, leva à necessidade de um maior conhecimento de técnicas e materiais, ditos tradicionais, que se foram perdendo ao longo do tempo.
Numa sociedade em que as preocupações com a sustentabilidade assumem cada vez maior importância, a reabilitação das construções deve ser considerada no sentido da otimização dos recursos, da diminuição dos custos e dos impactos ambientais, tendo sempre em conta as necessidades de conforto dos futuros e/ou atuais utilizadores.
A existência de elementos de madeira no património construído, estruturais ou não, é uma realidade incontornável e está intrinsecamente relacionada com a história da própria construção. No entanto, para se poder preservar e otimizar a sua utilização, é essencial efetuar uma análise exaustiva das suas características geométricas, físicas e mecânicas, o que normalmente obriga à realização de ensaios. Contudo, é de notar que o recurso a ensaios destrutivos, quase sempre, inviabiliza a reutilização dos elementos em causa.
Este trabalho pretende ser um contributo para a avaliação das características de peças de madeira de Castanho (Castanea sativa Mill.) encontradas em edifícios a reabilitar, de forma a evitar a extração de amostras de dimensões significativas que possam comprometer o reaproveitamento das mesmas. Assim, o objetivo principal é o de estabelecer uma metodologia que permita a caracterização de vigas de madeira de Castanho (Castanea sativa Mill.) tendo por base a sua classificação visual e a realização de ensaios não destrutivos, NDTs (Ultra-sons, Pilodyn e Resistógrafo), nas zonas livres de defeitos. Por outro lado, pretende-se a eficácia dos NDTs quando realizados em vigas à escala real, em condições de obra, a fim de evitar a recolha de amostras para análise posterior em laboratório.
ABSTRACT
The interest in the preservation of the built heritage is been growing, fruit of crisis and political and social pressures. The degradation of the historical heritage and the difficulties that the construction sector is experiencing led to a greater focus on rehabilitation rather than new construction. This new objective leads to the need of a larger and growing knowledge of old and traditional techniques and materials, which were lost over time.
In a society where sustainability concerns assume greater importance, rehabilitation of buildings should be considered towards the optimization of resources, lowering costs and environmental impacts, taking into account the needs of future or current users.
The existence of wooden elements, structural or not, is an inescapable reality and is intrinsically linked with the history of the building itself. However, in order to preserve and optimize their use is essential for a comprehensive analysis of their geometrical, physical and mechanical properties that need to be tested. The use of destructive tests most of the time make impossible the reuse of elements involved.
This work intends to be a contribution to the evaluation of the characteristics of Chestnut (Castanea sativa Mill.) wood pieces found in rehabilitate buildings, thus avoiding the extraction of samples of significant size that may compromise the reuse of the same. Therefore, the main objective is to establish a methodology that allows the characterization of Chestnut (Castanea sativa Mill) wooden beams based on their visual classification and non-destructive testing performing, NDTs (Ultrasonic, Pilodyn and Resistograph) in areas free of defects and evaluating the effectiveness of NDTs when performed directly on real scale beams under onsite conditions, to avoid the collection of samples for later analysis in the laboratory.
ÍNDICE
agradecimentos ... iii
RESUMO ... v
ABSTRACT ... vii
Índice de tabelas ... xxi
1 Introdução ... 1
1.1 Motivação e Objetivos ... 1
1.2 Organização do Plano de dissertação ... 2
2 Estado dO conhecimento ... 3 2.1 Madeira na construção ... 3 2.1.1 O que é a madeira? ... 3 2.1.2 Estrutura macroscópica... 3 2.1.3 Estrutura microscópica ... 5 2.1.4 Defeitos da madeira ... 6
2.1.5 Propriedades físicas e mecânicas da madeira ... 9
2.1.6 Patologias ... 21
2.1.7 Madeira de castanho ... 32
2.2 A construção em madeira ao longo dos tempos... 35
2.3 Evolução das metodologias de análise das madeiras ... 43
2.3.1 Inspeção visual ... 44
2.3.2 Técnicas de ensaio não-destrutivas... 46
2.4 Outros estudos realizados na mesma área ... 55
2.5 Normalização ... 64
3 Caso de estudo ... 71
3.2 Resultados Preliminares ... 73
3.3 Metodologia ... 80
3.3.1 Classificação Visual ... 81
3.3.2 Ensaios Destrutivos Caracterização das propriedades de elementos à escala real 83 3.3.3 Ensaios em provetes maquinados isentos de defeitos e degradações ... 84
4 Aplicação da Metodologia e apresentação de resultados ... 87
4.1 Provetes Integrais ... 88
4.1.1 Inspeção ... 89
4.1.2 Classificação ... 125
4.1.3 Ensaios Destrutivos (ensaio de flexão) ... 128
4.2 Provetes Maquinados ... 133
4.2.1 Obtenção dos provetes ... 133
4.2.2 Ensaios Não destrutivos ... 135
4.2.3 Ensaios Destrutivos ... 145
4.2.4 Correlações entre resultados obtidos nos diferentes ensaios realizados ... 150
5 Conclusão ... 159
5.1 Principais Conclusões e desenvolvimentos futuros ... 159
6 Referências bibliográficas ... 163
ANEXO 1 - Resultados de água (Vigas Integrais) ... 177
ANEXO 2 – Ficha de inspeção... 185
ANEXO 3 – Análise dos nós (Vigas Integrais) ... 189
ANEXO 4 – Exemplo de nós isolados e agrupados em cada uma das secções críticas das vigas analisadas ... 193
ANEXO 5 – Determinação da Taxa de crescimento (vigas integrais) ... 195
ANEXO 6 – Determinação do descaio (vigas integrais) ... 197 ANEXO 7 – Exemplo de aplicação da secção quadrada teórica nas várias secções da viga
ANEXO 8 – Resultados do resitógrafo (vigas integrais) ... 203
ANEXO 9 – Exemplo de diagramas obtidos no ensaio com o resistógrafo (vigas integrais) ... 207
ANEXO 10 – Resultados do pilodyn (vigas integrais)... 209
ANEXO 11 – Resultados do ultra sons (vigas integrais) ... 217
ANEXO 12 – Classificação visual UNI 11119 (vigas integrais) ... 225
ANEXO 13 – Classificação visual UNI 11035-2 (vigas integrais) ... 227
ANEXO 14 – Massa volúmica (provetes maquinados)... 229
ANEXO 15 – Resultados do ensaio de flexão (provetes maquinados) ... 231
ANEXO 16 – Resultados do ensaio de compressão (provetes maquinados) ... 245
ANEXO 17 – Padrões de rotura para provetes ensaiados à compressão – ASTM D143 (provetes maquinados) ... 259
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Direções principais de corte no tronco de uma árvore (Carvalho, 1996a) ... 4
Figura 2 – Corte transversal de tronco de uma árvore (Makepeace, 1993) ... 4
Figura 3 – Aspeto microscópico de madeira de resinosas (Carvalho, 1996a) ... 5
Figura 4 – Aspeto microscópico de madeira de folhosas (Carvalho, 1996a) ... 6
Figura 5 – Nós na madeira: (a) fotografia (Tampone, 2002); (b) Idealização dos nós no interior de uma peça (LNEC, 1997b) ... 7
Figura 6 – Os vários tipos de empenos (UNI 11035-1:2010)... 8
Figura 7 - Relação entre a humidade e a resistência mecânica (Argüelles, 1996) ... 9
Figura 8 - Gráfico de curvas de equilíbrio higroscópico (Benoit, 1997) ... 10
Figura 9 - Diagrama de Kollmann (humidade-peso específico) (Carvalho, 1996a) ... 12
Figura 10 - Efeitos da deformação por contração, em função do tipo de corte (Vignote, 1996) ... 13
Figura 11 – Baixa condutibilidade térmica da madeira sob ação do fogo (Silva, 2013) ... 14
Figura 12 - Diagrama de valores de resistência global da madeira, em função do esforço instalado (Carvalho, 1996a) ... 15
Figura 13 – Tração paralela às fibras de provete de madeira (Santos, 2011) ... 16
Figura 14 – Flexão estática de uma viga de madeira (Santos, 2011) ... 18
Figura 15 - Tração perpendicular às fibras de provete de madeira (Santos, 2011) ... 19
Figura 16 – Corte paralelo e transversal à orientação das fibras na madeira (Santos, 2011) ... 21
Figura 17 - À esquerda, degradação provocada por bolores. À direita, degradação provocada por fungos cromogéneos (Arriaga, 2002) ... 22
Figura 18 - À esquerda, exemplo de podridão parda. À direita, exemplo de podridão branca ou fibrosa (Arriaga, 2002) ... 23
Figura 19 - Degradação provocada por Anóbios ... 24
Figura 20 - Degradação provocada por Cerambicídeos (Arriaga, 2002). ... 24
Figura 21 - Exemplo do ataque de térmitas: À esquerda, secção transversal. À direita, secção longitudinal (Júnior, 2006) ... 26
Figura 22 – Aspeto laminado da madeira, resultante da ação de térmitas subterrâneas (Cruz)
... 27
Figura 23 – Exemplo de ataque de xilófagos marinhos: (a) Moslucos (Web03); (b) Crustáceos (Web04) ... 27
Figura 24 – Ocorrência dos agentes biológicos nas classes de risco (EN 335-1:2011) ... 29
Figura 25 – Castanheiros (Web05) ... 32
Figura 26 – Madeira de castanho ... 33
Figura 27 – Abrigo pré-istórico (Lourenço, 2013) ... 35
Figura 28 – Hipotética evolução das habitações de madeira no período Neolítico: (a) Solução inicial, mais propicia a deterioração das fundações (em madeira); (b) Solução mais duradoura, onde a estrutura de madeira era sustentada em fundações de pedra, evitando assim o contacto direto com o solo (Brites, 2011)... 36
Figura 29 – Parede de frontal onde são visíveis as cruzes de Santo André (Lourenço e Branco, 2013) ... 37
Figura 30 – Estruturas de madeira medievais: (a) Estrutura-tipo de edifício construído em sistema half-timbered, com jettying; (b) Sistema hammer beam, para redução dos impulsos no topo das paredes; (c) Asna com dupla linha; (d) Asnas de linha alta e vigas de eixo curvilíneo; (e) Asna construída por mistura de várias tipologias estruturais (Yeomans, 1999) ... 38
Figura 31 – Diferentes soluções de asnas de tesoura adotadas na América Colonial e no Reino Unido: (a) Soluções inglesas; (b) Soluções americanas. Note-se a ausência de linha elevada nas asnas americanas e o maior vão vencido (Yeomans, 1999) ... 39
Figura 32 - As primeiras estruturas de laminados de madeira: pontes, desenvolvidas por Wiebeking (em cima, à esquerda); Coberturas de escolas de equitação, por Emy (à direita) e viadutos ferroviários, de Green (embaixo, à esquerda) (Yeomans, 1999) ... 40
Figura 33 – Entregas de vigas nas paredes, com tratamento (Dias, 2008) ... 41
Figura 34 – Metropol Parasol, Sevilha, estrutura é feita de madeira colada a um revestimento de poliuretano, J. Mayer H. Architects (Web06) ... 42
Figura 35 – Defeitos da madeira (Web07) ... 45
Figura 36 – Vários tipos de higrómetros comerciais: (a) resistivo; (b) indutivo; (c) exemplo de uso de um higrómetro resistivo (do Valle et al., 2004) ... 46
Figura 39 – Variação da velocidade com a direção de propagação: (a) entre as direções
longitudinal e radial; (b) entre as direções tangencial e radial (Schafer, 2000) ... 50
Figura 40 – Exemplos de aparelhos comerciais para ensaio de ultra sons: (a) Componentes do equipamento Sylvatest (adaptado de Candian, 2007); (b) Componentes do equipamento PUNDIT (Web06) ... 51
Figura 41 - Resistógrafo: (a) exemplo de utilização; (b) perfil-tipo de resistência obtido em diagrama resistência vs. Profundidade (do Valle et al., 2005) ... 52
Figura 42 - Pilodyn 6-J: (a) aspecto geral; (b) escala de leitura ... 53
Figura 43 – Tomógrafo aplicado em árvore (Web07) ... 54
Figura 44 – Fases de ensaio e resultados obtidos em cada escala (Sousa, 2013) ... 62
Figura 45 – Normas de classificação visual e classes de qualidade (Arriaga, 2003) ... 65
Figura 46 – Relação entre classes de qualidade e classes de resistência (EN 1912:2004) .. 67
Figura 47 – Fachada principal e interior do edifício (Dias, 2008) ... 71
Figura 48 – Sala piso 0; Sala piso 1; Piso -1 (cave) (Dias, 2008) ... 72
Figura 49 – Corte longitudinal do edifício; Alçados principais do edifício ... 72
Figura 50 – Falta de linearidade das vigas do pavimento; Vigamento do piso 0 (Dias, 2008) ... 73
Figura 51 – Danos no soalho e vigas e entrada de térmitas (Dias, 2008) ... 73
Figura 52 – Reservatórios utilizados para ensaio de carga (Dias, 2008) ... 74
Figura 53 – LVDT para medição da deformação vertical das vigas (Dias, 2008) ... 74
Figura 54 – Pavimento com tarugos e soalho (Dias, 2008) ... 75
Figura 55 – Pavimento sem tarugos e com soalho (Dias, 2008) ... 75
Figura 56 – Vigas isoladas (Dias, 2008)... 75
Figura 57 – Montagem do atuador hidráulico na viga (Dias, 2008)... 75
Figura 58 – Fixação do atuador hidráulico à viga através de cantoneiras e parafusos M12 (Dias, 2008) ... 75
Figura 59 – LVDT para medição do movimento horizontal das vigas e das paredes (Dias, 2008) ... 75
Figura 60 – Corte da madeira efetuado no micrótomo segundo a secção radial (Dias, 2008) ... 76
Figura 61 – Corte da madeira efetuado no micrótomo segundo a secção tangencial (Dias, 2008) ... 76
Figura 62 – Corte da madeira efetuado no micrótomo segundo a secção transversal (Dias, 2008) ... 76
Figura 63 – Gráfico carga-deslocamento dos seis provetes ensaiados (Dias, 2008) ... 77
Figura 64 – Modo de rotura de provete submetido à compressão axial (quatro faces do provete P4) (Dias, 2008) ... 77
Figura 65 – Gráfico carga-deslocamento dos vários provetes (Dias, 2008) ... 78
Figura 66 – Gráfico carga-deslocamento das três vigas ... 79
Figura 67 – Metodologia a implementada ... 80
Figura 68 – Metodologia para classificação visual ... 81
Figura 69 – Pilodyn (Web09) ... 83
Figura 70 – Esquema de montagem para ensaio de flexão a 4 pontos ... 84
Figura 71 – Metodologia para classificação das vigas de madeira... 88
Figura 72 – Distribuição dos ensaios realizados ao longo das vigas em estudo ... 89
Figura 73 – Cronograma de atividades ... 90
Figura 74 – Distribuição dos ensaios de determinação do teor de humidade... 91
Figura 75 – Exemplo de nó isolado e agrupado (UNI 11035-1, 2003) ... 94
Figura 76 – Comparação entre a relação dos nós isolados e a relação dos nós agrupados ... 96
Figura 77 – Determinação da inclinação do fio com o riscador (UNI 11035-1, 2003) ... 97
Figura 78 - Determinação da inclinação do fio por fissuração (UNI 11035-1, 2003) ... 97
Figura 79 – Exemplo de fissura no alinhamento do elemento ... 98
Figura 80 – Balança Dinamométrica ... 99
Figura 81 – Esquema de pesagem ... 99
Figura 82 – Determinação da taxa de crescimento (UNI 11035-1, 2003) ... 100
Figura 83 – Topo da viga V19 ... 101
Figura 84 - Superfícies para medição dos anéis de crescimento ... 102
Figura 85 – Medição de fendas transversais ou radiais: a) Métodos de medição da excentricidade; b) Método de medição do raio da fenda (UNI 11035-1, 2003) ... 105
Figura 86 - Exemplos esquemáticos de fissuras radiais (UNI 11035-1, 2003) ... 106
Figura 87 – Topo da viga V17 ... 106
Figura 88 – Topo da viga V18 ... 106
Figura 89 - Método de Medição do descaio (UNI 11035-1, 2010) ... 107
Figura 90 - Método de Medição do descaio (UNI 11035-1, 2003) ... 108 Figura 91 - Método de medição da deformação, base medida 2m (UNI 11035-1, 2003) . 109
Figura 94 – Exemplo de zonas com coloração azulada junto a zonas de pregos ... 113
Figura 95 – Posição dos ensaios com o resistógrafo ... 114
Figura 96 - Equipamento do LEMC ... 115
Figura 97 – Equipamento do LESE ... 115
Figura 98 – Equipamento do Eng. Jerónimo Botelho ... 115
Figura 99 – Equipamento da UMinho ... 115
Figura 100 - Exemplo do perfil obtido de ensaio com o resistógrafo ... 116
Figura 101 – Posição dos ensaios com o Pilodyn ... 119
Figura 102 – Resultados obtidos no ensaio de Pilodyn ... 120
Figura 103 – Equipamento de ultra-sons ... 121
Figura 104 – Localização dos ensaios de ultra sons ... 122
Figura 105 – Transmissão direta ... 122
Figura 106 – transmissão indireta ... 122
Figura 107 – Resultados obtidos no ensaio para determinação da velocidade de propagação dos ulta sons perpendicular e paralelo à orientação das fibras e valor da massa volúmica das vigas integrais ... 123
Figura 108 - Comparação entre os resultados obtidos no ensaio de ultra sons e o ataque biológico ... 124
Figura 109 – Percentagem de distribuição dos troços de viga por classe de classificação visual ... 126
Figura 110 – Sistema para realziação do ensaio de flexão (EN 408, 2003) ... 128
Figura 111 – Ensaio de flexão realizado em viga de acordo com a norma EN 408 (Dias, 2008) ... 129
Figura 112 – Apoios e estrutura para impedir torção (Dias, 2008) ... 129
Figura 113 – Aplicação dos LVDTs (Dias, 2008) ... 130
Figura 114 – Esquema completo utilizado para ensaio de flexão (Dias, 2008) ... 130
Figura 115 – Resultados obtidos no ensaio de flexão das vigas integrais ... 131
Figura 116 – Zona de rotura da viga V12 do lado esquerdo e da V19 do lado direito... 132
Figura 117 - Zona de rotura da viga V17 ... 132
Figura 118 – Máquina de serra de fita ... 133
Figura 119 – Alinhadeira ... 134
Figura 120 – Máquina serra de fita ... 134
Figura 121 – Tupia ... 134
Figura 123 – Massa volúmica obtida nos provetes de ensaio... 137 Figura 124 - Valores da massa volúmica dos provetes maquinados para ensaio de teor em água, compressão e flexão e das vigas integrais ... 139 Figura 125 - Relação entre os resultados do teor em água obtido pelo método de secagem e obtido por medição com equipamento de resistência elétrica ... 141 Figura 126 – Comparação entre os teores de água obtidos nos provetes maquinados, pelos dois métodos, e os resultados obtidos nas vigas integrais ... 141 Figura 127 – Esquema dos métodos de medição utilizados (adaptado Feio, 2005) ... 142 Figura 128 - Valores obtidos no ensaio de ultra sons realizado sobre os provetes maquinados para ensaio de compressão e flexão e nas vigas integrais, paralelo e perpendicular à orientação das fibras ... 145 Figura 129 – Esquema do ensaio de flexão (NP 619, 1973) ... 146 Figura 130 – Padrões de rotura mais frequentes. Do lado esquerdo (d) e do lado direito (f) ... 149 Figura 131 – Correlação entre a massa volúmica e a tensão de flexão da viga integral ... 150 Figura 132 – Correlação entre a massa volúmica dos provetes maquinados e a tensão de rotura à flexão das vigas integrais ... 151 Figura 133 – Correlação entre os valores obtidos na determinação da massa volúmica dos porvetes maquinados e a massa volúmica obtida na viga integral ... 151 Figura 134 – Correlação entre a massa volúmica das vigas integrais e o valor obtido no ensaio de resistógrafo ... 152 Figura 135 – Correlação entre a massa volúmica de provetes maquinados e o valor obtido no ensaio de resistógrafo ... 152 Figura 136 – Correlação entre a tensão de rotura de provetes maquinados e a tensão de rotura de vigas integrais ... 153 Figura 137 – Correlação entre o ensaio de ultra sons paralelo às fibras e a tensão de rotura à compressão ... 154 Figura 138 - Correlação entre o ensaio de ultra sons perpendicular às fibras e a tensão de rotura à compressão ... 154 Figura 139 – Correlação entre o ensaio de ultra sons paralelo às fibras e a tensão de rotura à flexão ... 155 Figura 140 - Correlação entre o ensaio de ultra sons perpendicular às fibras e a tensão de
Figura 141 – Correlação entre o ensaio de ultra sons paralelo às fibras e o módulo de elasticidade de vigas integrais ... 156
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Resumo dos principais insetos responsáveis pela degradação de estruturas de
madeira (Freitas, 2012) (Arriaga, 2002) (Web01) ... 25
Tabela 2 - Resumo dos principais insetos responsáveis pela degradação de estruturas de madeira (Freitas, 2012) (Web02)... 27
Tabela 3 – Mecanismos de degradação de uma peça de madeira sujeita ao sol e à chuva (Freitas, 2012) ... 30
Tabela 4 – Propriedades Físicas da madeira de Castanho (Casasús et al., 1997) ... 34
Tabela 5 - Propriedades Mecânicas da madeira de Castanho, livre de defeitos (Casasús et al., 1997) ... 34
Tabela 6 - Durabilidade e Impregnabilidade da madeira de Castanho (EN 350-2:1993) ... 35
Tabela 7 - Critério de escolha da técnica não destrutiva a utilizar, em função do objetivo da inspeção (adaptado de Freitas, 2012) ... 44
Tabela 8 – Teor de água nas várias posições ... 92
Tabela 9 – Teor de água da madeira, valores médios ... 92
Tabela 10 – Contabilização dos nós de maiores dimensões ... 94
Tabela 11 - Tabela com contabilização da % de nós isolados e agrupados por viga ... 95
Tabela 12 – Massa Volúmica das vigas integrais ... 99
Tabela 13 – Taxa de crescimento ... 102
Tabela 14 – Avaliação das fendas (sem considerar as zonas não acessíveis) ... 103
Tabela 15 - Avaliação das fendas (considerando as zonas não acessíveis) ... 104
Tabela 16 – Quantificação do número de secções com fendas ... 104
Tabela 17 – Tabela com as degradações existentes nas vigas (apenas zonas acessíveis) . 112 Tabela 18 - Tabela com as degradações existentes nas vigas (todas as zonas) ... 112
Tabela 19 – Resultados do resistógrafo ... 116
Tabela 20 – Comparação do VRmédio a velocidades diferentes (exemplo) ... 117
Tabela 21 – VRmédio na viga V20 para diferentes velocidades ... 117
Tabela 22 – Mass volúmica determinada com aplicação da correlação de Feio (2005) ... 118
Tabela 23 – Resultados da Penetração por impacto ... 120
Tabela 25 – Resultados da Classificação Visual (apenas zonas acessíveis)... 125 Tabela 26 – Resultados da Classificação Visual (todas as zonas) ... 126 Tabela 27 – Resultados da Classificação Visual (apenas zonas acessíveis)... 127 Tabela 28 - Resultados da Classificação Visual (Toda as zonas)... 127 Tabela 29 – Resultados obtidos no ensaio de Flexão ... 131 Tabela 30 – Massa Volúmica ... 136 Tabela 31 – Compração entre a massa volúmica de provetes integrais e maquinados ... 138 Tabela 32 – Teor em água ... 140 Tabela 33 – Resultado obtido nos provetes destinado ao ensaio de compressão ... 143 Tabela 34 - Resultado obtido nos provetes destinado ao ensaio de Flexão ... 144 Tabela 35 – Resultados do Ensaio de Flexão ... 147 Tabela 36 – Tensão de rotura ... 147 Tabela 37 – Resultados do ensaio de compressão ... 148 Tabela 38 – Correlações entre valores obtidos nos ensaios realizados ... 156
1
INTRODUÇÃO
A madeira é um material usado ao longo de anos, desde a pré-história, na conceção de barcos, ferramentas, mobiliário e na construção. Está por isso presente no nosso património construído a preservar.
A ausência de uma cultura de manutenção dos edifícios juntamente com a deslocação da população para a periferia das cidades levou ao abandono dos centros históricos e à degradação acentuada dos seus edifícios.
Já há alguns anos que se constata uma mudança de hábitos, de preocupações e de políticas. Os centros históricos são cada vez mais valorizados não só pelo património histórico que representam mas pelo potencial de atração turística e ponto dinamizador da economia local e nacional. Assim, a reabilitação dos edifícios degradados tem sido uma constante.
Esta reabilitação implica o conhecimento dos materiais utilizados e das técnicas aplicadas para que seja possível fazer um diagnóstico do estado dos elementos estruturais e assim propor uma solução mais adequada ao propósito a que se destina o edifício.
O aproveitamento dos elementos existentes, sempre que possível revela-se numa opção sustentável, sensata e muitas vezes mais económica do que a sua substituição por elementos novos.
Este trabalho surge assim da necessidade de avaliar as características de peças de madeira de Castanho existentes em edifícios que se pretende reabilitar, de forma a evitar a extração de provetes de grandes dimensões que inutilizem o seu reaproveitamento.
A avaliação do estado de conservação dos elementos de madeira de castanho será um importante contributo para a determinação da sua capacidade resistente e para poder tomar decisões sobre o seu aproveitamento, reforço ou extração do local.
1.1 Motivação e Objetivos
A caracterização dos elementos estruturais existentes em edifícios que se pretende reabilitar é essencial. Esta caracterização pode ser feita com o recurso a vários ensaios, no entanto, muito deles implicam a destruição parcial ou total dos elementos o que inviabiliza o seu reaproveitamento.
O recurso a ensaios não destrutivos combinados com uma inspeção visual detalhada realizada por um operador experiente podem auxiliar na avaliação dos elementos de madeira evitando a sua destruição e permitindo que os mesmos sejam reutilizados, caso os resultados obtidos sejam favoráveis.
A utilização de ensaios não destrutivos não é novidade no entanto, os resultados obtidos e a sua aplicação ainda não são conhecimentos consolidados. Este trabalho pretende ser mais um contributo para a análise da segurança das estruturas de madeira existentes nas habitações do património edificado. E tem como objetivo central o estabelecimento de uma metodologia que permita a caracterização de vigas de madeira de Castanho tendo por base a sua classificação visual e a realização de ensaios não destrutivos nas zonas livres de defeitos.
1.2 Organização do Plano de dissertação
Para atingir os objetivos identificados para este trabalho, o presente documento está organizado da seguinte forma:
No capítulo 1 apresenta-se uma breve introdução ao tema, definindo os objetivos principais do presente trabalho.
No capítulo 2 apresentam-se algumas considerações sobre o estado do conhecimento. Nomeadamente, as principais características da madeira, em especial da madeira de Castanho, a evolução do uso da madeira na construção ao longo dos anos assim como os métodos de inspeção de estruturas de madeira.
No capítulo 3 resumem-se os principais trabalhos realizados nesta temática que serviram de apoio ao início deste trabalho e a metodologia a ser utilizada ao longo do trabalho.
No capítulo 4 coloca-se em evidência a aplicação da metodologia proposta e apresenta-se os resultados obtidos como algumas conclusões sobre os mesmos.
No capítulo 5 descreve as principais conclusões e propõe desenvolvimentos futuros.
No capítulo 6 serão indicadas as referências bibliográficas que serviram de apoio à elaboração da presente dissertação.
2
ESTADO DO CONHECIMENTO
2.1
Madeira na construção
2.1.1 O que é a madeira?
A madeira é um material de origem biológica, obtido de um organismo vivo, a árvore, cujo crescimento ocorre pela ação de 2 tecidos vivos, com capacidade de divisão celular, o meristema apical, responsável pelo crescimento em altura e o câmbio responsável pelo crescimento do diâmetro, é um material heterogéneo e acentuadamente anisotrópico (Silva, 2013).
Em função da sua estrutura anatómica, as madeiras podem ser divididas em dois grandes grupos: as resinosas e as folhosas. As madeiras pertencentes à classe das folhosas apresentam uma maior especialização das funções fisiológicas das células do lenho o que resulta num arranjo anatómico mais complexo e diversificado. Esta família engloba madeiras tanto de baixa como de elevada qualidade e são exemplos o carvalho, o castanho e o eucalipto. Já a família das resinosas engloba madeiras mais ancestrais que se caracterizam por serem de folha perene, boa resistência à compressão e ainda melhor á tração sendo muitas vezes usadas em estruturas, são exemplos de madeiras resinosas o pinheiro, o abeto e o cedro.
2.1.2 Estrutura macroscópica
O processo de crescimento da árvore determina uma simetria axial e uma direção predominante das células que constituem o lenho. Este arranjo resulta numa anisotropia marcada, à qual se faz referência como os planos ou direções da madeira, Figura 1, (Machado, 1999).
A direção longitudinal é frequentemente designada por direção paralela às fibras. As direções radial e tangencial, ambas perpendiculares às fibras, correspondem respetivamente: a um qualquer raio definido na secção transversal e a um qualquer tangente às camadas de crescimento.
Figura 1 – Direções principais de corte no tronco de uma árvore (Carvalho, 1996a)
Com a realização de um corte transversal pelo tronco de uma árvore é possível observar os elementos celulares que compõem as várias camadas da sua estrutura macroscópica, Figura 2.
Legenda: A-medula / B – cerne / C – raio medular / D – borne / E – câmbio / F – líber / G – casca
Figura 2 – Corte transversal de tronco de uma árvore (Makepeace, 1993)
A casca, camada mais externa do tronco formada por duas secções distintas: a camada epidérmica, secção externa; e o líber, formado por células vivas, responsáveis pela condução da seiva que foi elaborada nas folhas da árvore, permitindo o seu crescimento. O câmbio tem a função de gerar células novas, sendo pois constituído por um tecido denominado por tecido merismático, é responsável pelo engrossamento e transformação, quer do líber (na direção exterior), quer do borne (na direção interior), no qual serão visíveis os anéis de
zona onde é retirada a madeira para utilização estrutural. É constituído pelo borne, camada mais externa que garante a condução da seiva bruta, desde a raiz da árvore até à sua copa, e pelo cerne, camada interior, sem função circulatória de substâncias. Nas secções do borne e cerne são visíveis os anéis de crescimento anual, resultado do crescimento transversal por adição de novas camadas concêntricas e periféricas, pela ação do meristema líbero-lenhoso. A medula, de reduzida espessura, situa-se na parte central do tronco da árvore e é composta por tecidos sem qualquer resistência mecânica e durabilidade.
Nos anéis de crescimento, a madeira formada durante a Primavera apresenta uma cor mais clara, e é chamada de lenho inicial ou lenho primaveril, a madeira formada durante o Verão e o Outono, de cor mais escura, é chamada de lenho final ou lenho outonal. No Inverno verifica-se um abrandamento ou mesmo paragem do crescimento. É possível estimar a idade de uma árvore pela contabilização dos anéis de crescimento, cada anel corresponde a um ano e é composto por uma camada de lenho primaveril e outra de lenho outonal.
2.1.3 Estrutura microscópica
Os dois grandes grupos de madeiras, resinosas e folhosas, apresentam estruturas microscópicas bastantes distintas, cuja estrutura fibro-anatómica importa abordar.
As primeiras, as resinosas, são compostas na sua maioria, 90 a 95% por células alongadas denominada por traqueídos (Capuz, 2003). Estes têm uma função de suporte mecânico e de condução de seiva. O armazenamento e condução de produtos ou substâncias alimentares e metabólicas são realizados pelas células denominadas de parênquima, sendo que nas resinosas estas se dispõem principalmente na direção radial, Figura 3, (Carvalho, 1996a).
As folhosas apresentam um arranjo um pouco mais complexo, sendo composto por três tipos de células: os vasos, o parênquima lenhosos e as fibras. As fibras e os traqueídos formam o tecido básico existindo canais dispostos de forma concentrada denominados por vasos. As fibras têm paredes mais espessas e de menor diâmetro interior do que as resinosas, Figura 4, (Júnior, 2006).
Figura 4 – Aspeto microscópico de madeira de folhosas (Carvalho, 1996a)
2.1.4 Defeitos da madeira
Um dos fatores que condiciona as características físicas e mecânicas são os defeitos que podem ser encontrados na madeira, a sua quantidade e a sua distribuição ao longo da peça. Entenda-se por defeito qualquer anomalia da estrutura do lenho ou resultado de ataque de agentes vivos ou imperfeições de laboração que possam determinar a diminuição do valor comercial da madeira (NP 180, 1962). Na norma NP 180:1962 pode ser encontrada uma descrição exaustiva dos defeitos passiveis de serem encontrados na madeira e que são listados e descritos de forma sucinta de seguida.
Nós – são secções simples de massa lenhosa que corresponde à porção da base de um ramo
inserida no tronco da árvore. Esta apresenta uma forma sensivelmente cónica que se orienta na direção da medula. A existência de nós leva ao desvio das fibras longitudinais o que torna a madeira menos resistente. Os nós correspondem ao defeito mais condicionante da resistência global da peça mesmo não influenciando significativamente o módulo de
(a) (b)
Figura 5 – Nós na madeira: (a) fotografia (Tampone, 2002); (b) Idealização dos nós no interior de uma peça (LNEC, 1997b)
Desvio de inclinação do fio (fio diagonal ou fio torcido) – estes defeitos traduzem-se por
uma inclinação mais ou menos acentuada do fio relativamente ao eixo longitudinal das peças. A presença deste defeito em peças estruturais de madeira pode estar relacionada com um mau processo de corte, como também com a utilização de elementos de madeira cuja natureza morfológica possuía estas características.
Fendas – As fendas introduzem descontinuidades no material lenhoso. Os efeitos desta
descontinuidade dependem dos tipos de esforços, da sua localização, comprimento e profundidade e podem ser muito graves se forem repassadas, ou seja, se ligarem faces opostas das peças de madeira, bem como se estiverem localizadas em zonas de união entre peças ou em elementos sujeitos a compressão axial.
Empenos – os empenos são alterações de forma da peça relativamente a uma forma plana
Figura 6 – Os vários tipos de empenos (UNI 11035-1:2010)
Descaio – o descaio é um defeito de laboração que se traduz pela falta de madeira numa ou
mais arestas das peças, afetando-as parcial ou totalmente ao longo do seu comprimento. Implica sobretudo dificuldades de fixação, apoio ou colagem.
Taxa de crescimento – a taxa de crescimento indica a largura média em milímetros dos
anéis de crescimento. A largura muito irregular dos anéis traduz um defeito de importância ligeira.
Bolsas de resina – bolsas de resina que integram o material lenhoso e são em geral de
pequena dimensão.
Presença de medula ou entrecasco – constituem um ponto fraco em termos de resistência
mecânica sendo desaconselhado o seu uso em madeiras estruturais.
Madeira de reação – corresponde à ocorrência de porções de material lenhoso torcido ou
de forma irregular resultante de uma ação externa muito forte (vento, tronco torcido, árvore não ventilada, etc.), atuante sobre o tronco da árvore viva.
Madeira juvenil – refere-se à existência de madeira menos resistente com estrutura
Ataques de insetos e fungos – a madeira é um material lenhoso sujeito ao ataque de fungos
e insetos xilófagos, constituindo por isso um defeito muito grave das peças estruturais, tema que será desenvolvido mais à frente neste Plano de Dissertação.
2.1.5 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).
2.1.6 Patologias
As patologias encontradas na madeira estão na sua maioria relacionadas com 3 agentes. Os agentes biológicos, os agentes atmosféricos e os agentes químicos. As patologias podem ainda ocorrer devido à ação do fogo, ponto 2.1.5.1.4, à deficiente conceção e/ou ao um uso dos elementos de madeira. É importante fazer uma análise destes agentes de forma a perceber a severidade dos danos que estes podem provocar na madeira.
2.1.6.1 Agentes biológicos
O tipo e velocidade de degradação da madeira por agentes biológicos está intimamente relacionada com as condições higrotérmicas ambientais a que esta é sujeita ao longo da sua utilização.
Os agentes biológicos agrupam-se em dois grandes grupos os fungos, que podem surgir sob a forma de bolores, podridão ou coloração azulada, e os insetos, são exemplo os insetos da madeira seca (caruncho), os insetos sociais (térmitas) e os xilófagos.
De seguida iremos aprofundar um pouco cada um dos tipos.
2.1.6.1.1 Fungos
Podem-se distinguir 2 tipos de fungos, os que provocam manchas e os que originam podridão. O ataque dos fungos xilófagos às células superficiais fazem com que exista o aumento da permeabilidade da madeira e a alteração da coloração para azulado, os bolores apenas alteram a superfície da madeira, Figura 17. Os fungos que originam podridão podem causar graves danos na madeira. Há perda de propriedades mecânicas, tal como a massa volúmica e a resistência estática e dinâmica, Figura 18 (Franco, 2008).
Estes últimos podem ainda dividir-se nos chamados microfungos, que provocam podridão mole e os restantes que provocam as podridões mais frequentes, do tipo branca ou castanha (Cruz).
Figura 17 - À esquerda, degradação provocada por bolores. À direita, degradação provocada por fungos cromogéneos (Arriaga, 2002)
O desenvolvimento e degradação dos fungos xilófogos pressupõe a presença de três fatores essenciais, humidade, condições convenientes de temperatura e oxigénio, e as substâncias alimentares existentes na madeira.
Figura 18 - À esquerda, exemplo de podridão parda. À direita, exemplo de podridão branca ou fibrosa (Arriaga, 2002)
De uma maneira geral pode dizer-se que o crescimento dos fungos só se realiza na madeira com humidades superiores a 20% (valores bastante mais elevados do que os correspondentes à condição de “seca ao ar” atingida pela madeira colocada em ambiente normal, que são da ordem dos 15%) e à temperatura normal do ambiente (entre 10º e 30ºC), embora suportem valores extremos abaixo e acima deste intervalo. A ausência de oxigénio por saturação completa da madeira é fator limitante do desenvolvimento destes fungos, como também é, a aplicação de temperaturas acima de 40-50ºC ou a secagem da madeira para valores inferiores a 22%.
2.1.6.1.2 Insetos de madeira seca
Este tipo de insetos ataca a madeira em função do seu ciclo biológico, variando conforme a espécie e as condições atmosféricas presentes. Neste ponto descrevem-se os insetos que pertencem à classe Coleópteros, estes desenvolvem-se no ciclo ovo-larva-crisália-inseto.
Segundo Arriaga (2002) os insetos de ciclo larvar não são capazes de regular a temperatura do seu organismo, logo o seu ciclo biológico será regulado pelas alterações do meio onde atuam, com maior ou menor influência em função das espécies presentes.
As principais famílias de insetos de ciclo larvar que atacam a madeira são os Anóbios, os Cerambicídeos, os Líctidos, os Curculiónidos e os Bostríchidos.
Os Anóbios (caruncho) são insetos que se alimentam do borne da madeira, Figura 19, (Júnior, 2006).
Figura 19 - Degradação provocada por Anóbios
Os Cerambicídeos são vulgarmente designados como caruncho grande, e podem atingir os 30 mm de comprimento, no estado larvar, e 10 a 20 mm, no estado adulto. Atacam preferencialmente o borne da madeira, pelo que quando a peça atacada é constituída por uma grande percentagem de cerne, o seu ataque é limitado, Figura 20, (Júnior, 2006).
.
Figura 20 - Degradação provocada por Cerambicídeos (Arriaga, 2002).
Os Líctidos mais conhecidos por traça apresentam pequena dimensão, entre 3 e 8mm de comprimento. Alimentam-se preferencialmente do borne das espécies folhosas, com vasos pequenos, sendo pouco comum o seu ataque a madeiras resinosas. O seu ataque é frequente em pavimentos de parquet de madeira de carvalho, sendo, porém, pouco usual em elementos estruturais
Os Curculiónidos ou escaravelho da madeira (ou gorgulho), como são frequentemente denominados, e realizam orifícios para o exterior nas peças de madeira. É mais frequente o seu ataque em madeiras húmidas previamente atacadas por fungos. Atacam quer madeiras
Por fim, os Bostríchidos são insetos que atacam preferencialmente o borne das folhosas, principalmente as tropicais, na presença de um certo grau de humidade.
Na Tabela 1 apresentam-se de forma sucinta as características das várias famílias de insetos.
Tabela 1 - Resumo dos principais insetos responsáveis pela degradação de estruturas de madeira (Freitas, 2012) (Arriaga, 2002) (Web01)
Imagem Família Galeria Dimensões
Orifícios/Agente Breve Caracterização
Necessidade de humidade Cerambicídeos (Cerambycidae) Ex: Hylotrupes Bajulus L. (Caruncho grande)
Insetos de ciclo larvar Sim
Orifício
Ovóide 4x7mm
Agente
10 a 20mm(adulto) Adulto sai para o exterior
- Serrim e excrementos
- Faz ruído ao alimentar-se da madeira - Pode escavar galerias de 1cm de diâmetro, de orientação diversa (ataque perigoso)
Sim
Anóbios (Anobiidae) Ex: Anobium
Punctatum de Geer
(Caruncho corrente) Insetos de ciclo larvar
Sim Orifício Circular 1 a 1,5mm Agente 2 a 11mm(adulto) Adulto sai para o exterior
- Atacam preferencialmente madeira de mobiliário
- Serrim fino e rugoso
- A fêmea emite ruídos audíveis, ao chamar o macho
Sim
Líctidos (Lyctidae) Ex: Lyctus Brunneus
Steph (Traça)
Insetos de ciclo larvar Sim
Orifício
Circular 1 a 2mm
Agente
3 a 8mm (adulto) Adulto sai para o exterior
- Serrim amarelado muito fino
- Bastante comum o ataque a pavimentos de madeira
- Sobrevive em ambiente seco
Não
Curculiónidos (Curculionidae) Ex: Pselactus Spadix
H
(Escaravelho da madeira – Gorgulho) Insetos de ciclo larvar
Sim
Orifício
Circular 1 a 2mm
Agente
3 a 5mm (adulto) Adulto sai para o exterior
- Serrim semelhante ao dos anóbios, sendo mais fino e pulverulento
- Produzem ataques muito concentrados
>20%
Bostríchidos (Bostrichidae) Ex: Apate Capucina
L.
Insetos de ciclo larvar Sim
Orifício
Circular 3 a 6mm
Agente
4 a 6mm(Adulto) Adulto sai para o exterior
- Atacam preferencialmente pavimentos de madeira
- Produzem serrim muito fino, de cor creme
Sim
2.1.6.1.3 Insetos Sociais ou Térmitas
Os insetos sociais ou térmitas, como vulgarmente são conhecidos, são insetos da ordem
Isoptera, inseridos numa organização social avançada, em que cada grupo desempenha
funções específicas.
A constituição física das térmitas está associada às funções que cada um desempenha. Assim, existem 3 classes sociais principais:
Os indivíduos sexuados ou reprodutores, os elementos mais importantes da colónia e que também eles se dividem em reprodutores principais (casa real fundador), reprodutores secundários (cujo principal objetivo é a de substituir ou apoiar os reprodutores principais na reprodução da colónia) e os reprodutores com asas (que têm por missão abandonar o ninho e criar novas colónias) (Liotta 2000).
Os soldados têm como principal função a defesa da colónia, possuindo para tal, cabeça e mandíbulas grandes, comparativamente com o resto do seu corpo.
Os obreiros realizam as tarefas de manutenção da colónia, nomeadamente, na busca do alimento para os elementos reprodutores e construção/manutenção do ninho (Liotta, 2000).
Consoante a ação de degradação provocada pelas térmitas na estrutura da madeira elas podem ser classificadas em dois tipos. Quando implantam os seus ninhos no subsolo são as térmitas subterrâneas e quando implantam os ninhos na própria madeira são as térmitas de madeira seca, Tabela 23. As térmitas subterrâneas são aquelas que apresentam maior incidência e relevância em Portugal (Júnior, 2006).
Figura 21 - Exemplo do ataque de térmitas: À esquerda, secção transversal. À direita, secção longitudinal (Júnior, 2006)
São também aquelas que apresentam maiores dificuldades de diagnose, dada a escassez de sintomas externos de atividade (Cruz). Para além de viverem em colónias debaixo da terra fogem da luz e avançam em galerias que escavam na terra e nas alvenarias. A madeira atacada fica com aspeto laminado, com galerias resultantes da destruição das camas de Primavera, sem que tenham sido praticamente lesadas as camadas de Outono, podendo o exterior das peças estar em bom estado, Tabela 24 .
Figura 22 – Aspeto laminado da madeira, resultante da ação de térmitas subterrâneas (Cruz)
Na Tabela 2 são apresentadas as principais características das térmitas.
Tabela 2 - Resumo dos principais insetos responsáveis pela degradação de estruturas de madeira (Freitas, 2012) (Web02)
Imagem Família Galeria Dimensões
Orifícios/Agente Breve Caracterização
Necessidade de humidade Térmitas Inferiores (6 famílias) Ex: Rhinotermitidae (mais comum em Portugal) Exemplo de inseto: Reticulitermes Lucifugus Rossi (Térmitas subterrâneas) Insetos sociais Sim Proveniente do termiteiro, deslocando-se por galerias
- A secção atacada possui galerias longitudinais de aspeto folheado, não visíveis pelo exterior
- Deslocam-se em galerias subterrâneas, pelo interior das alvenarias ou por galerias de terra exteriores
- Vivem em ninhos, normalmente no exterior do edifício atacado
Sim
2.1.6.1.4 Xilófagos marinhos
Neste grupo estão incluídos os Moluscos (Ex: Teredo navalis L.) e os Crustáceos (Ex.
Limnoria lignorum white). Apenas existem na água salgada sendo extremamente agressivos
para a maioria das espécies de madeira. A madeira envelhece muito bem quando imersa em água doce pois os outros agentes biológicos não subsistem em meio líquido (Freitas, 2012).
Figura 23 – Exemplo de ataque de xilófagos marinhos: (a) Moslucos (Web03); (b) Crustáceos (Web04)
