FACULDADE DE ENGENHARIA AGRICOLA
MÔNICA RUY
CLASSIFICAÇÃO DE MADEIRA ROLIÇA DE
EUCALIPTO POR ULTRASSOM
CAMPINAS
2016
MÔNICA RUY
CLASSIFICAÇÃO DE MADEIRA ROLIÇA DE
EUCALIPTO POR ULTRASSOM
Orientadora: Profª Drª Raquel Gonçalves
Dissertação de Mestrado submetida à banca examinadora para obtenção do título de Mestra em Engenharia Agrícola na área de Concentração de Construções Rurais e Ambiência.
CAMPINAS 2016
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Rose Meire da Silva - CRB 8/5974
Ruy, Mônica,
R944c RuyClassificação de madeira roliça de eucalipto por ultrassom / Mônica Ruy. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.
RuyOrientador: Raquel Gonçalves.
RuyDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola.
Ruy1. Madeira - Propriedades mecânicas. 2. Propagação de ondas. I.
Gonçalves, Raquel,1961-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Agrícola. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Classification of round eucalyptus timber by ultrasound Palavras-chave em inglês:
Wood - Mechanical properties Wave propagation
Área de concentração: Construções Rurais e Ambiência Titulação: Mestra em Engenharia Agrícola
Banca examinadora:
Raquel Gonçalves [Orientador] Guillermo Iñiguez González Cinthya Bertoldo Pedroso Data de defesa: 29-02-2016
________________________________________________________________ Prof.ª Dr.ª Raquel Gonçalves – Presidente e Orientador
FEAGRI/UNICAMP
_________________________________________________________________ Prof. Dr. Guillermo Iñiguez González – Membro Titular
Universidade Politécnica de Madrid/Espanha
_________________________________________________________________ Prof.ª Dr.ª Cinthya Bertoldo Pedroso – Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica da discente.
Dedico essa dissertação aos meus amados padrinhos, Mirian Fernandes Bim (in memorian) e Geraldo Bim (in
Agradeço primeiramente a Deus, acredito que sem Ele eu não teria forças para seguir o meu caminho e atingir minhas metas.
Agradeço aos meus pais, Benedito Ruy e Maria Isabel C. de A. Ruy, que me acolheram novamente em casa, que sempre me deram todo tipo de apoio que precisei, que estiveram ao meu lado nos momentos mais difíceis e sempre lidaram com toda a paciência do mundo nos meus momentos de crise.
Agradeço a Bruno Ruy, que mesmo distante, sempre foi mais do que meu irmão. Foi meu companheiro, amigo, e me incentivou a cada pedra que encontrei na minha caminhada.
Agradeço ao Fernando, que entrou na minha vida em um momento turbulento, mas que tem se mostrado paciente e que logo aprendeu a lidar com meu jeito um pouco difícil.
Agradeço aos meus amigos de Salto e de Limeira, que estão comigo há tanto tempo, sempre me dando apoio e força para continuar. Amanda, André, Alana, Carol, Daniela, Giuliene, Gustavo, Iara, Maitê, Marcelo, Rodolfo. Muito obrigada por compartilharem comigo mais essa conquista.
Agradeço aos colegas e amigos da E.E. Monsenhor Heládio Correa Laurini, que me mostraram a importância de ensinar e que, mesmo no meio de tantos problemas, me ajudaram a descobrir que ser professor é uma dádiva.
Agradeço aos meus colegas e amigos do LabEND, eu não poderia realizar esse trabalho sem eles. A Nádia, por todas as tardes na “caverninha” ajudando nos ensaios de ultrassom e pelo companheirismo do dia a dia; ao Rafael, pelas ajudas nos ensaios, nos carregamentos de toras, nas trocas de pneus, todas às vezes que precisei, inclusive aos sábados, por tornar o laboratório um lugar mais agradável de se trabalhar; Douglas e Gabriela, Pibics que sempre me ajudaram e que se tornaram grandes companheiros; Mariana e Gustavo, pelas manhãs de sábados trabalhadas; Paulo, por todo o apoio durante os ensaios; Ingrid e Favalli, pelo companheirismo de sempre; Trinca, pelas ideias, pela companhia e pelas conversas; Cinthya, por todo o incentivo, pelas dúvidas tiradas e por servir de inspiração de vida pra mim; Agnes, Roberto e Guillermo, que puderam contribuir
Agradeço ao pessoal do “Campo” da Feagri, pela ajuda quando eu precisei de “força” Agradeço à minha orientadora, Profª Drª Raquel Gonçalves, pela dedicação aos projetos e aos alunos, por sempre estar disposta a ajudar, por me auxiliar a encontrar o melhor caminho, por ser uma mulher fonte de inspiração para mim.
Agradeço ao CNPq, por financiar minha Bolsa de Estudos de Mestrado, e a Fapesp, pelo auxílio financeiro através de projeto do grupo de pesquisas (Proc. 2012 / 22599-9).
“Por vezes sentimos que aquilo que fazemos não é senão uma gota d´água no
mar. Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota”.
moveleiro e da construção civil. Usos estruturais da madeira, na forma roliça ou serrada, exigem conhecimento de suas propriedades, tornando fundamental a classificação nas diferentes geometrias do material. A literatura vem mostrando que métodos não destrutivos são eficientes na classificação da madeira e, dentre eles, estão as técnicas de propagação de ondas. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a eficiência do ultrassom na classificação mecânica da madeira roliça, utilizando como referência norma brasileira de classificação de madeira serrada de folhosas por ultrassom (NBR15521, 2007). Os ensaios de ultrassom foram realizados em peças roliças de diferentes diâmetros e em diferentes condições de umidade. Os ensaios de flexão foram realizados na tora somente na condição climatizada (em torno de 12% de umidade) para a determinação da resistência e da rigidez. Além dos ensaios de ultrassom e de flexão, as peças tiveram seus diâmetros mensurados e foram visualmente classificadas. O diâmetro apresentou correlação negativa com os parâmetros acústicos e estáticos, bem como com a classe visual. Assim, a classificação da madeira roliça foi avaliada considerando faixas de diâmetro. Para pequenos diâmetros (inferiores a 169 mm) as classes propostas pela NBR 15521 (2007) foram adequadas para a classificação da madeira roliça de Eucalipto, mas conforme o diâmetro aumenta, é necessário aplicar coeficientes de minoração na velocidade para que a classificação pela norma continue se adequando. Espera-se que os resultados desta pesquisa possam ser utilizados para proposta futura de classificação da madeira roliça de Eucalipto.
The use of wood from planted forest to furniture and construction are growing. Uses of wood as structural material, both round or processed, needs knowing its properties, so the classification became important, no matter the geometry of the material. The literature had showed that nondestructive methods are efficient to sort timber, and the wave propagations techniques are among these methods. The objective of this research was to evaluate the efficiency of ultrasound to sort round timber, using Brazilian Standard, proposed to hardwood classification (NBR 15521, 2007) as reference. We tested round timber with different diameters and moisture content. The bending tests were made only after acclimatization, with round timber around 12% to determine the strength and stiffness. The diameter had negative correlation with acoustics and mechanical properties and also with the visual class. So, the classification of round timber was evaluated considering ranges of diameters. For small diameters (less than 169 mm) the sort classes proposed by NBR 15521 (2007) was effective to classify the Eucalyptus round timber but as the diameter grows it was necessary to apply reduction coefficients on the velocities for allow the adequacy of the standard. We hope that the results will contribute to future proposition of round timber classification.
Key words: strength in bending, modulus of elasticity in bending, wave propagation
FIGURA 3-2CORRELAÇÃO ENTRE RENDIMENTO DA CLASSIFICAÇÃO DE MADEIRA SERRADA DE PINUS RADIATA, PROVENIENTES DE DUAS FLORESTAS NA NOVA ZELÂNDIA, E ANÁLISE ACÚSTICA DE
TORAS DO MESMO MATERIAL. ... 27
FIGURA 3-3GRAU DE SEVERIDADE DE RACHAS (FENDAS) NAS REGIÕES DE TOPO E BASE. ... 29
FIGURA 3-4GRAU DE SEVERIDADE DE RACHAS (FENDAS) NO CORPO DO POSTE. ... 30
FIGURA 3-5SINAL DE APODRECIMENTO DO CERNE E DA MEDULA. ... 31
FIGURA 3-6SEPARAÇÃO DEVIDA ÀS PROPRIEDADES DIFERENCIAIS DE RETRAÇÃO E FIBRAS RETORCIDAS. ... 31
FIGURA 3-7LOCALIZAÇÃO DOS DEFEITOS DE BORDA. ... 32
FIGURA 3-8ESQUEMA DAS FISSURAS E ÁREA DE INFLUÊNCIA.A1=ÁREA TOTAL.A2=ÁREA DE INFLUÊNCIA, INCLUINDO SOBREPOSIÇÕES DE FISSURAS.A3=ÁREA DE INFLUÊNCIA, SEM SOBREPOSIÇÕES DE FISSURAS. ... 33
FIGURA 4-1ENSAIO DIRETO COM PROPAGAÇÃO LONGITUDINAL NA TORA (A) E POSICIONAMENTO DO TRANSDUTOR PLANO (VERMELHO) E EXPONENCIAL (VERDE) NA SEÇÃO TRANSVERSAL (B) .... 39
FIGURA 4-2CONTROLE DE UMIDADE ... 40
FIGURA 4-3ENSAIO DE FLEXÃO ESTÁTICA NA MADEIRA ROLIÇA... 41
FIGURA 5-1GRÁFICO REPRESENTATIVO DA MÉDIA E DA VARIABILIDADE DAS VELOCIDADES OBTIDAS NOS ENSAIOS DA MADEIRA ROLIÇA NA CONDIÇÃO SATURADA COM O USO DO TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (VSATE) E DAS VELOCIDADES OBTIDAS COM O USO DE EQUAÇÃO PROPOSTA PELA NBR15521(2007)–VSATENBR– E POR LORENSANI (2013)– VSATEMANSINI. ... 48
FIGURA 5-2DISTRIBUIÇÃO PERCENTUAL DAS CLASSES VISUAIS EM CADA LOTE DE MADEIRA ROLIÇA ... 53
FIGURA 5-3CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 1(FAIXA DE DIÂMETRO DE 50 A 109 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO A VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 61
RIGIDEZ OBTIDO COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E
RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 62
FIGURA 5-5CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 1(FAIXA DE DIÂMETRO DE 50 A 109 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO A APLICAÇÃO DE COEFICIENTE DE REDUÇÃO DE 1,18, PROPOSTO POR LORENSANI (2013), APLICADO À
VELOCIDADE OBTIDA COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E
RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 63 FIGURA 5-6CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 1(FAIXA
DE DIÂMETRO DE 50 A 100 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO O COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM VELOCIDADE REDUZIDA PELO COEFICIENTE 1,18 PROPOSTO POR
LORENSANIE LORENSANI (2013); COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS
(C) E RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 64 FIGURA 5-7CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO
4(DIÂMETRO >230 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO A VELOCIDADE NA
CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 65 FIGURA 5-8CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 4
(DIÂMETRO >230 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO O COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E RESPECTIVAS
CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 66
FIGURA 5-9CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 4 (DIÂMETRO >230 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO A APLICAÇÃO DE COEFICIENTE DE REDUÇÃO DE 1,18* VELOCIDADE OBTIDA COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA
CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 67
FIGURA 5-10CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 4
(DIÂMETRO >230 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO O COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM VELOCIDADE REDUZIDA PELO COEFICIENTE 1,18*; COM O TRANSDUTOR DE FACES
FIGURA 5-11CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 3(FAIXA DE DIÂMETRO DE 170 A 229 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO O COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM VELOCIDADE REDUZIDA PELO COEFICIENTE 1,28; COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA CLASSIFICAÇÃO (B E D). ... 70
FIGURA 5-12CLASSIFICAÇÃO DAS PEÇAS DE MADEIRA ROLIÇA PERTENCENTES AO GRUPO 4( DIÂMETRO >230 MM), PELA NBR15521(2007), CONSIDERANDO O COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM VELOCIDADE REDUZIDA PELO COEFICIENTE 1,28; COM O TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (A) E PLANAS (C) E RESPECTIVAS CATEGORIAS DE ACERTOS E ERROS DA
NBR7190:1997 E DADOS COMPARATIVOS DE ESPESSURA MÍNIMA... 24
TABELA 3-2DIMENSÕES MÁXIMAS DAS FENDAS. ... 30
TABELA 3-3DIMENSÕES MÁXIMAS PARA NÓS. ... 31
TABELA 4-1AMOSTRAGEM DA PESQUISA ... 38
TABELA 4-2FAIXAS DE CLASSIFICAÇÃO VISUAL ... 41
TABELA 5-1DENSIDADE MÉDIA DE CADA ESPÉCIE E VALORES DE ASSIMETRIA E DE CURTOSE. ... 46
TABELA 5-2 ESTATÍSTICAS OBTIDAS PARA AS VELOCIDADES NAS TORAS NA CONDIÇÃO INICIAL SATURADA (VSATE, VSATP) E NA CONDIÇÃO SECA (UMIDADE ENTRE A SATURAÇÃO E O EQUILÍBRIO) - VUE E VUP, UTILIZANDO OS TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (E) E PLANAS (P).LOTE 01–E.GRANDIS ... 46
TABELA 5-3 ESTATÍSTICAS OBTIDAS PARA AS VELOCIDADES NAS TORAS NA CONDIÇÃO INICIAL SATURADA (VSATE, VSATP) E NA CONDIÇÃO SECA (UMIDADE ENTRE A SATURAÇÃO E O EQUILÍBRIO) - VUE E VUP, UTILIZANDO OS TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (E) E PLANAS (P).LOTE 02–E.CLOESINANA ... 47
TABELA 5-4 ESTATÍSTICAS OBTIDAS PARA AS VELOCIDADES NAS TORAS NA CONDIÇÃO INICIAL SATURADA (VSATE, VSATP) E NA CONDIÇÃO SECA (UMIDADE ENTRE A SATURAÇÃO E O EQUILÍBRIO) - VUE E VUP, UTILIZANDO OS TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (E) E PLANAS (P).LOTE 03–E.SALIGNA ... 47
TABELA 5-5 REGRESSÃO SIMPLES ENTRE AS VELOCIDADES NAS TORAS NA CONDIÇÃO INICIAL SATURADA (VSATE, VSATPL) E PARA VELOCIDADES OBTIDAS POR MEIO DE APLICAÇÃO DE MODELO DE CORREÇÃO DA NORMA NBR15521(2007)(VNORMAE,VNORMAPL) E DE LORENSANI (2013)(VMANSINIE E VMANSINIPL).LOTE 01–E.GRANDIS ... 49
TABELA 5-6 REGRESSÃO SIMPLES ENTRE AS VELOCIDADES NAS TORAS NA CONDIÇÃO INICIAL SATURADA (VSATE, VSATPL) E PARA VELOCIDADES OBTIDAS POR MEIO DE APLICAÇÃO DE MODELO DE CORREÇÃO DA NORMA NBR15521(2007)(VNORMAE,VNORMAPL) E DE LORENSANI (2013)(VMANSINIE E VMANSINIPL).LOTE 02–E.CLOEZIANA ... 49
TABELA 5-7REGRESSÕES MÚLTIPLAS ENTRE AS VELOCIDADES DE ULTRASSOM , OBTIDA NOS ENSAIOS COM TRANSDUTORES EXPONENCIAIS E PLANOS, NAS TORAS SATURADAS (VREALE-VREALPL), NAS
TABELA 5-8 RESULTADO DA COMPARAÇÃO ENTRE MÉDIAS DAS VELOCIDADES NAS TORAS NA CONDIÇÃO INICIAL SATURADA (VSATE, VSATPL) E AS VELOCIDADES OBTIDAS POR MEIO DE APLICAÇÃO DE MODELO DE CORREÇÃO DA NORMA NBR15521(2007)(VNORMAE,VNORMAPL) E DE LORENSANI (2013) ( VMANSINIE E VMANSINIPL) APÓS APLICAÇÃO DE COEFICIENTE DE CORREÇÃO DE 1,12 NO MODELO DE CORREÇÃO DA NORMA E DE 1,14 NO MODELO PROPOSTO POR
LORENSANI (2013). AMOSTRAGEM:LOTES 1 E 2 ... 51 TABELA 5-9PARÂMETROS OBTIDOS DOS ENSAIOS DE ULTRASSOM – VELOCIDADE SATURADA REAL
(VSAT,REAL) E COEFICIENTE DE RIGIDEZ (CLL)– COM TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS
(E) E PLANAS (P), DOS ENSAIOS DE FLEXÃO ESTÁTICA – RESISTÊNCIA (FM) E MÓDULO DE ELASTICIDADE (EM) E DIÂMETROS DAS PEÇAS ROLIÇAS NOS TRÊS LOTES ENSAIADOS. ... 52 TABELA 5-10 COMPARAÇÃO ENTRE MÉDIAS DOS PARÂMETROS ACÚSTICOS OBTIDOS PELOS TRANSDUTORES EXPONENCIAIS E PLANOS: VELOCIDADE SATURADA (VSATE E VSATP) E COEFICIENTE DE RIGIDEZ (CLLE E CLLP). ... 53 TABELA 5-11 ESTATÍSTICAS P-VALOR E COEFICIENTE DE CORRELAÇÃO (R) PARA A ASSOCIAÇÃO ENTRE OS PARÂMETROS: DIÂMETRO, CLASSE VISUAL, VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (VSAT,E), VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES PLANAS (VSAT,P), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (CLL,E), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES PLANAS (CLL,P), MÓDULO DE ELASTICIDADE EM FLEXÃO OBTIDO A 12% DE UMIDADE (E12) E RESISTÊNCIA EM FLEXÃO OBTIDA A 12% DE UMIDADE (F12).LOTE 1–E.GRANDIS. ... 55
TABELA 5-12 ESTATÍSTICAS P-VALOR E COEFICIENTE DE CORRELAÇÃO (R) PARA A ASSOCIAÇÃO ENTRE OS PARÂMETROS: DIÂMETRO, CLASSE VISUAL, VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (VSAT,E), VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES PLANAS (VSAT,P), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (CLL,E), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES PLANAS (CLL,P), MÓDULO DE ELASTICIDADE EM
TABELA 5-13 ESTATÍSTICAS P-VALOR E COEFICIENTE DE CORRELAÇÃO (R) PARA A ASSOCIAÇÃO ENTRE OS PARÂMETROS: DIÂMETRO, CLASSE VISUAL, VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (VSAT,E), VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES PLANAS (VSAT,P), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (CLL,E), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES PLANAS (CLL,P), MÓDULO DE ELASTICIDADE EM FLEXÃO OBTIDO A 12% DE UMIDADE (E12) E RESISTÊNCIA EM FLEXÃO OBTIDA A 12% DE UMIDADE (F12).LOTE 3–E.SALIGNA. ... 57 TABELA 5-14 ESTATÍSTICAS P-VALOR E COEFICIENTE DE CORRELAÇÃO (R) PARA A ASSOCIAÇÃO ENTRE OS PARÂMETROS: DIÂMETRO, CLASSE VISUAL, VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES EXPONENCIAIS (VSAT,E), VELOCIDADE NA CONDIÇÃO SATURADA OBTIDA COM TRANSDUTOR DE FACES PLANAS (VSAT,P), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES EXPONENCIAIS (CLL,E), COEFICIENTE DE RIGIDEZ OBTIDO COM TRANSDUTORES DE FACES PLANAS (CLL,P), MÓDULO DE ELASTICIDADE EM FLEXÃO OBTIDO A 12% DE UMIDADE (E12) E RESISTÊNCIA EM FLEXÃO OBTIDA A 12% DE UMIDADE (F12).LOTE 1,2 E 3. ... 58 TABELA 5-15RESULTADOS MÉDIOS DE COEFICIENTES DE RIGIDEZ (CLLE E CLLP), VELOCIDADE SATURADA (VSATE,VSATP), RESISTÊNCIA A FLEXÃO (F12) E MÓDULO DE ELASTICIDADE (E12)
NOS DIFERENTES GRUPOS DE DIÂMETRO.LOTES 01,02 E 03. ... 59
TABELA 5-16RESULTADO DO TESTE DE COMPARAÇÃO DE MÉDIAS DOS VALORES DE COEFICIENTES DE RIGIDEZ (CLLE E CLLP), VELOCIDADE SATURADA (VSATE,VSATP), RESISTÊNCIA A FLEXÃO
(F12) E MÓDULO DE ELASTICIDADE (E12) NOS DIFERENTES GRUPOS DE DIÂMETRO.LOTES 01,02
E 03. ... 59 TABELA 5-17EXEMPLO DE MATRIZ DE CORRELAÇÃO OBTIDA PARA REGRESSÃO MÚLTIPLA ENTRE MÓDULO DE ELASTICIDADE (E12)– COMO VARIÁVEL DEPENDENTE – E CONSTANTE DE RIGIDEZ OBTIDA POR TRANSDUTOR EXPONENCIAL (CLLE) E DIÂMETRO – COMO VARIÁVEIS INDEPENDENTES.LOTES 01,02 E 03. ... 60
DA CLASSES ONDE AS PEÇAS FORAM ENQUADRADAS PREVIAMENTE (VSAT,EST) DE ACORDO COM A NBR15521(2007). ... 69
TABELA 5-19ANÁLISE DE ADEQUAÇÃO DA CLASSIFICAÇÃO PARA AS PEÇAS DO GRUPO 3–170MM A
220MM DE DIÂMETRO. ... 72 TABELA 5-20ANÁLISE DE ADEQUAÇÃO DA CLASSIFICAÇÃO FINAL PROPOSTA. ... 73
2. OBJETIVOS ... 21
2.1 Objetivo Geral ... 21
2.2 Objetivos Específicos ... 21
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22
3.1 Madeira Roliça ... 22
3.2 Parâmetros Acústicos na classificação da madeira ... 25
3.3 Classificação Visual ... 28 3.4. Classificação Mecânica ... 33 3.5. Normas de Classificação ... 34 3.6 Conclusão ... 37 4. MATERIAL E MÉTODOS ... 38 4.1. Amostragem... 38
4.2. Ensaio de ultrassom nas toras saturadas ... 38
4.3. Ensaio de ultrassom durante a secagem ... 39
4.4. Ensaio de flexão estática da madeira roliça na umidade de equilíbrio ... 40
4.5. Análise visual ... 41
4.6. Determinação da densidade ... 42
4.7. Cálculos ... 42
4.8. Análise dos Resultados ... 44
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 46
5.1 Avaliação do modelo de correção da velocidade em função da umidade ... 46
5.2 Proposta de faixas de Classificação para a madeira roliça ... 51
6. CONCLUSÃO ... 74
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 75
ANEXO I ... 79
ANEXO II ... 81
1. INTRODUÇÃO
A classificação de peças de madeira é de extrema importância para a comercialização e a aplicação deste material, uma vez que facilita a distinção entre peças de maior ou menor resistência e/ou rigidez, permitindo que sejam destinadas a aplicações de acordo com suas propriedades. O fato de a madeira ser material com grande variabilidade natural dificulta o uso de tabelas com valores médios de suas propriedades, fazendo com que estudos sobre métodos de classificação de peças de madeira sejam importantes.
A proposta de classificação da madeira estrutural é, normalmente, baseada em modelos de correlação entre uma propriedade com maior facilidade de ser obtida, oriundas de ensaios não destrutivos, e outras propriedades (físicas e mecânicas) que se deseja determinar. A avaliação da madeira através do uso de propagação de ondas está crescendo a cada dia, e se tornando importante método de classificação de peças de madeira para diversos usos, além de ferramenta de controle de qualidade no setor florestal.
Normas internacionais utilizam a avaliação visual, associada à resultados de ensaios de flexão estática, como parâmetro de classificação mecânica de espécies de madeira usuais em estruturas. Nessas normas as propriedades de compressão, de tração e de cisalhamento, necessárias para o dimensionamento, são obtidas por meio de correlações com os valores das propriedades obtidas em flexão estática. Em contrapartida, no Brasil, a norma (NBR 7190, 1997) propõe classes de resistência baseadas em ensaios de compressão paralela às fibras realizados em corpos de prova pequenos e isentos de defeitos. A partir dos resultados da compressão são inferidos, por meio de correlações, outras propriedades (resistência e rigidez na flexão, por exemplo). Por outro lado, há, no Brasil, norma de classificação de madeira serrada, proveniente de folhosas, utilizando ultrassom (NBR 15521, 2007), que é um avanço importante para o uso adequado da madeira.
A utilização da madeira roliça como peça estrutural tem sido vista de maneira competitiva, tanto do ponto de vista econômico quanto de sustentabilidade. A forma mais bruta da madeira minimiza a geração de resíduos e diminui substancialmente o gasto de energia durante o processo de beneficiamento, o que justifica a necessidade de estudo especifico desta forma de material. Esse tipo de madeira (roliça) é particularmente importante para as espécies de reflorestamento, já que espécies nativas, em geral, possuem grandes diâmetros e são utilizadas como madeira serrada.
Assim, partindo-se de evidências já comprovadas empiricamente pela literatura, que indicam correlações estatisticamente significativas entre parâmetros acústicos e propriedades de rigidez e de resistência; e da norma brasileira de classificação de madeira serrada por ultrassom (NBR 15521, 2007) a hipótese que fundamenta esta pesquisa é a de que, assim como para a madeira serrada, os parâmetros acústicos obtidos na madeira roliça podem ser utilizados na classificação , mas a eficiência desta classificação aumenta quando as toras, classificadas visualmente, estiverem separadas por faixas de diâmetro.
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral da pesquisa foi propor e avaliar a eficiência da classificação da madeira roliça de Eucalipto a partir de parâmetros acústicos.
2.2 Objetivos Específicos
Avaliar a viabilidade de uso da norma NBR 15521 (2007) e de proposta de adaptação desta norma apresentada por Lorensani (2013), no que se refere à correção da velocidade na condição saturada – um dos parâmetros de entrada nas classes da norma.
Avaliar a viabilidade de uso da norma NBR 15521 (2007) e de proposta de adaptação desta norma apresentada por Lorensani (2013), no que se refere à classificação das peças roliças. Neste caso, foi também objetivo avaliar a influência da classificação visual e da faixa de diâmetro na eficiência da classificação da peça roliça.
Verificar se ambos tipos de transdutores (faces exponenciais e planas) podem ser utilizados na classificação da madeira roliça.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Madeira Roliça
Apesar da madeira roliça não ser tema recente quando se considera como abordagem seu uso na construção civil, no Brasil, trabalhos interessantes relacionados ao uso da madeira roliça foram produzidos recentemente, mostrando que o tema volta a ser de importância no país. Nos Estados Unidos, por exemplo, há grandes estruturas de madeira roliça com mais de 100 anos em uso (WOLFE; MURPHY, 2005), o que certifica a qualidade do material para ser utilizado diretamente na construção civil e, consequentemente, ratifica a necessidade de estudo aprofundado do material, assim como a necessidade de normativas especificas para peças estruturais de madeira de seção circular.
Com objetivos de determinar propriedades mecânicas de madeira roliça por meio de ondas de ultrassom, identificar a relação entre a geometria das peças roliças e a velocidade da propagação das ondas e gerar contribuição para futura classificação de peças roliças utilizadas em estruturas, Pelizan (2004) ensaiou peças roliças, de tamanho estrutural, com técnica de ultrassom e posteriormente realizou ensaios de compressão paralela às fibras em corpos de provas retirados das peças ensaiadas por ultrassom. As análises estatísticas feitas por Pelizan (2004) indicaram que a técnica não destrutiva escolhida apresenta confiabilidade na avaliação das propriedades mecânicas das peças de madeira roliça.
Wolfe e Murphy (2005) compararam a eficiência de peças estruturais de seções circulares com a eficiência de peças estruturais com seções retangulares. Os autores se fundamentaram no fato de que a capacidade que qualquer elemento estrutural tem de suportar um carregamento é em função das propriedades de resistência característica do material e da seção transversal da estrutura. A redução da área de uma peça roliça para uma peça de madeira serrada (Figura 3.1) vai, automaticamente, diminuir o carregamento máximo suportado pelo elemento estrutural. Além disso, os autores alegam que o processamento da madeira roliça para se transformar em madeira serrada causa danos, fazendo com que haja uma notável perda de resistência do material.
Figura 3-1Redução de área de uma seção circular para uma seção retangular. Fonte: Wolfe e Murphy (2005)
Zangiácomo (2007) estudou elementos estruturais roliços de madeira, justificando sua pesquisa pela possibilidade de aumento do uso de madeira roliça no campo. O autor argumenta que no Brasil a madeira roliça é usada principalmente como poste da rede elétrica, e, assim, teve por objetivo gerar informações para futura revisão do documento normativo brasileiro (NBR 7190: 1997), que não apresenta especificações para a madeira roliça. Zangiácomo (2007) destaca a redução de custo de produção de peças roliças em relação a peças serradas, já que há redução na etapa de processamento do material. Para sua análise, Zangiácomo (2007) ensaiou em flexão estática postes oriundos de árvores de reflorestamento de 4 espécies de Eucalipto e 2 espécies de Pinus. Os dados de flexão estática foram comparados com resultados obtidos em ensaios de compressão paralela à fibra, de acordo com a NBR 7190:1997, em corpos de prova provenientes das mesmas árvores. O autor encontrou diferenças significativas entre parâmetros mecânicos obtidos em elementos estruturais e corpos de prova, e propôs nova metodologia de ensaio de flexão para madeira roliça.
Calil Jr. e Brito (2010) destacam a importância de desenvolvimento de estudos que busquem materiais alternativos aos comumente utilizados na construção civil (aço e concreto), a fim de que os projetos se tornem mais viáveis economicamente e satisfaçam a necessidade do ponto de vista de construção sustentável. Os autores apontam a madeira roliça, utilizada em construções civis, construções rurais, pontes, passarelas, defensas e postes de linha de transmissão de energia elétrica, como uma opção que atendem aos requisitos citados. A resistência da madeira roliça, o baixo consumo energético para o processamento, a disponibilidade e o fácil manuseio fazem com que ela se torne um material altamente
competitivo e sustentável (CALIL JR; BRITO, 2010), podendo ser diretamente utilizada como peça estrutural.
Em trabalho realizado com objetivo validar a relação entre módulo de elasticidades longitudinal (E) e módulo de elasticidade transversal (G) proposto pela norma brasileira NBR 7190:1997, Zangiácomo (2013) utilizou peças roliças estruturais de madeira de Corymbia citriodora. De acordo com os resultados que obtiveram, os autores evidenciaram divergência em relação aos valores apresentados pela norma. Como conclusão, o trabalho propõe revisão da norma brasileira, com proposta de ensaios em peças de dimensão estrutural, a fim de que seja possível obtenção de valores para propriedades de rigidez mais confiáveis.
Assim, entende-se que para peças roliças, as dimensões mínimas devem seguir os critérios da norma apresentados na Tabela 3.1.
Tabela 3-1 Diâmetros mínimos de peças roliças com base na área mínima proposta pela NBR 7190: 1997 e dados comparativos de espessura mínima.
Uso/Dimensões Mínimas Área Mínima (NBR 7190: 1997)
Espessura Mínima (NBR 7190: 1997)
Diâmetro Mínimo*
Peças principais isoladas 50 cm² 5 cm 8 cm
Peças secundárias isoladas 18 cm² 2,5 cm 5 cm
Peças principais múltiplas 35 cm² 2,5 cm 7 cm
Peças secundárias múltiplas 18 cm² 1,8 cm 5 cm
*Diâmetros mínimos calculados em função da área mínima, estabelecida por Norma, de acordo com a equação:
= , onde A é a área mínima da seção transversal e d é o diâmetro mínimo da peça.
Além dos aspectos já mencionados, é importante destacar a importância do conhecimento das propriedades da madeira roliça para o processo de beneficiamento da madeira serrada. O estudo da literatura revela que grande parte das propriedades mecânicas da madeira roliça é conservada na madeira serrada.
Tsehaye et al (2000) destaca a urgente necessidade de destinar com mais eficiência a madeira de acordo com as suas propriedades. Os autores citam que é comum a utilização de análise visual para separação de lotes de madeira roliça, entretanto apresentam dados que mostram que a classificação visual de forma isolada não é eficiente, uma vez que há grande variação de propriedades mecânicas em um grupo de peças que, visualmente, aparentam ser idênticas. Para resolver o problema da classificação visual isolada de toras, Tsehaye et al (2000)
avaliaram a qualidade do corte da madeira e a rentabilidade da classificação da madeira roliça, por método de ensaio não destrutivo, através da medição do tempo de propagação de ondas de tensão. Seus dados indicaram que se houver a possibilidade de identificação de toras com baixa resistência antes do beneficiamento, pode-se evitar processamentos inúteis, reduzindo custos.
Segundo Sandoz (1994 apud PELIZAN 2004) 80% a 90% da qualidade medidas por ultrassom nas toras irá se conservar na madeira serrada. Desse modo, a classificação de madeira roliça é interessante, também, para a indústria de madeira serrada, pois aumenta a confiabilidade do desempenho mecânico das vigas.
Em estudo sobre classificação de madeira para uso estrutural, Kretschmann & Hernandez (2006) classificam os métodos de ensaios não destrutivos (propagação de ondas acústicas, raio-x, lasers, micro-ondas, espectroscopia infravermelha) em madeira como a mais ativa área de pesquisa sobre madeira nas últimas décadas. Os autores afirmam que os métodos de ensaios não destrutivos são capazes de determinar ou estimar, através de medições realizadas em toras, as propriedades físicas e mecânicas da madeira anteriormente ao processo de beneficiamento. Os autores ainda enfatizam que economias significativas podem ser feitas em casos de avaliação da qualidade da madeira anterior ao processo de desdobro e de secagem das toras. Material de baixa qualidade podem ser descartados para fins estruturais antes de haver gastos desnecessários no processo de transformação de toras em madeira serrada.
Bertoldo (2011) utilizou método de propagação de ondas de ultrassom em árvores e em toras recém abatidas, com o objetivo de verificar correlação entre esses parâmetros acústicos e as propriedades mecânicas (rigidez e resistência) da madeira serrada oriundas destas árvores/toras. A autora utilizou na pesquisa espécies exóticas plantadas no Brasil (Pinus elliottii, Eucalyptus grandis, Toona ciliata, Clone de Eucalyptus). Após ensaios de ultrassom nas três formas do material (árvore, tora recém abatida e viga), a autora realizou ensaios de flexão estática nas vigas, a fim de determinar as propriedades mecânicas do material. Os modelos de regressão obtidos por Bertoldo (2011) apresentaram coeficientes de correlação significativos, o que permitiu a conclusão de que é possível obter as propriedades de resistência e de rigidez, assim como estimar faixa de classificação da madeira serrada a partir da velocidade de propagação de ondas de ultrassom na árvore e nas toras.
3.2 Parâmetros Acústicos na classificação da madeira
Técnicas de propagação de ondas (ultrassom, ondas de tensão e vibração) têm sido estudadas para aplicação em toras recém-abatidas com a finalidade de separar lotes, antes que
a tora passe por mais processos de beneficiamento. Essas técnicas tendem a se tornar parte integrante do processo de classificação da madeira.
Waubke (1981 e 1988 apud BARTHOLOMEU, 2001) e Sandoz (1990) propuseram a classificação mecânica da madeira serrada por ultrassom, associando faixas de velocidade com Classes de Resistência e de Rigidez.
Amishevand e Murphy (2008) analisaram cerca de 3000 toras, provenientes de 1400 árvores Douglas-fir localizadas em Oregon, nos Estados Unidos. Os autores avaliaram os efeitos de características internas e externas do material nas propriedades de resistência da madeira. Foram realizadas medições acústicas nas toras e os resultados foram correlacionados com parâmetros mecânicos. Características externas como diâmetro, comprimento e presença de nós foram utilizadas nas análises, os parâmetros foram utilizados para melhorar o resultado do modelo de regressão. Amishevand e Murphy (2008) obtiveram velocidades maiores para toras provenientes da base das árvores.
Em estudo realizado por Carter et al (2005), ensaios acústicos foram utilizados para comprovação do aumento do valor comercial de produtos florestais e melhor destinação da qualidade da madeira de acordo com a necessidade do mercado quando a técnica é utilizada. A Figura 3.2 representa parte dos resultados analisados pelos autores, em que é visível a correlação entre valores acústicos obtidos em peças roliças de Pinus radiata e o rendimento da classificação da madeira serrada oriunda dessas toras. Análise econômica feita pelos autores indica aumento de 5% no rendimento da produção e da comercialização da madeira estrutural quanto é realizada análise preliminar do material.
Figura 3-2 Correlação entre rendimento da classificação de madeira serrada de Pinus radiata, provenientes de duas florestas na Nova Zelândia, e análise acústica de toras do mesmo material.
Fonte: Adaptado de Carter et al (2005)
Trabalho publicado por Wang et al (2007) faz avaliação da rentabilidade da avaliação acústica da madeira em estado bruto. O texto destaca que a avaliação da matéria prima da madeira se tornou essencial na cadeia de processamento do material, a fim de máximo retorno financeiro. Tecnologias acústicas tem sido cada vez mais usadas e consideradas ferramentas de controle de qualidade florestal e de produtos oriundos da madeira. Os autores apresentam pesquisas recentes (PELLERIN; ROSS, 2002; DYCK, 2002; HUANG et al; 2003) que comprovam que técnicas acústicas podem ser utilizadas em árvores e toras para predizer a qualidade do produto final da madeira.
Rais et al (2013) apresentam resultados de pré-classificação de 154 árvores (Douglas-fir) provenientes de duas florestas experimentais localizadas no sul da Alemanha. A metodologia envolveu ensaios em diferentes estágios do processamento da madeira, desde as árvores ainda na floresta, passando por toras longas, de aproximadamente 13 metros de comprimento, toras curtas, com 4,1 metros de comprimento, e por fim peças de madeira serrada. O material foi pré-classificado através de máquina de classificação. Os autores observaram grande correlação nas diferentes fases da cadeia de produção da madeira. A pré-classificação de árvores e toras fez com que houvesse um aumento médio de 10% no rendimento da classificação da madeira serrada.
Para que uma classificação seja proposta, é necessário ter conhecimento de todos os parâmetros que possam ter influência nos resultados. O estudo da literatura mostra alguns trabalhos que analisam a influência da geometria de peças de madeira na propagação de ondas. Para analisar a influência do diâmetro da tora na propagação de onda, Wang et al (2002) utilizaram 201 peças roliças de 4 diferentes espécies de coníferas (Pinus banksiana, Pinus resinosa, Pseudotsuga menziesii e Pinus ponderosa) em ensaios de ondas de tensão (stress wave). Os resultados dos ensaios indicaram que a técnica é sensível ao tamanho e geometria da tora, quanto maior o diâmetro da tora, maior foi a diferença entre o módulo de elasticidade estático e o módulo de elasticidades dinâmico encontrada pelos autores. Utilizando a influência do diâmetro das peças na propagação das ondas os autores propuseram modelo de predição de propriedades obtidas em flexão estática através de resultados obtidos em ensaios com ondas de tensão.
Bartholomeu et al (2003) estudaram o fenômeno de propagação de ondas de ultrassom, levando em consideração a dispersão das ondas em relação ao tamanho das peças de madeira serrada. Os autores utilizaram peças de eucalipto de tamanho comercial, que foram sofrendo modificações na seção transversal. Ensaios de propagação de ondas foram feitos a cada modificação na seção da madeira para que fosse possível o estudo da influência do tamanho da peça na velocidade de propagação das ondas. Como resultado, os autores observaram variação das velocidades nas peças com diferentes tamanhos de seção transversal, possibilitando a conclusão de que a geometria da peça influencia na propagação de ondas de ultrassom.
3.3 Classificação Visual
A classificação visual da madeira é baseada na premissa de que as propriedades mecânicas são afetadas por características de crescimento e oriundas de processo de secagem, que são visíveis a olho nu (nós, rachaduras, fendas, abertura entre anéis de crescimento etc). Assim, uma análise visual é realizada a partir de um exame de toda a superfície externa e das extremidades da peça, a fim de se detectar e avaliar as características e os defeitos do material. As peças então são separadas em lotes com características semelhantes, de acordo com limites de dimensões de defeitos pré-estabelecidos.
A NBR 16202:2013, norma brasileira de requisitos para postes de eucalipto preservado para redes de distribuição elétrica, apresenta características para aceitação de postes de madeira, as mesmas características podem ser consideradas na análise visual de peças roliças de madeira para serem usadas na construção civil. Os critérios da NBR 16202:2013 são relativos a:
Curvatura: desvio da direção longitudinal do poste, que pode ser simples (apenas uma direção)
ou dupla (duas direções). Há valores de curvatura máxima aceitáveis.
Rachas ou fendas: separação física dos elementos constituintes da madeira paralelamente à
grã, que surgem na madeira roliça durante o processo de secagem. São adotadas dimensões máximas, apresentadas na Tabela 3.2, e, também, graus de severidade nas regiões do topo, da base (Figura 3.3) e do corpo (Figura 3.4). Esses graus de severidade são função do tipo e da dimensão de aberturas.
Figura 3-3 Grau de severidade de rachas (fendas) nas regiões de topo e base. Fonte: Adaptado da NBR 16202:2013
Figura 3-4 Grau de severidade de rachas (fendas) no corpo do poste. Fonte: Adaptado da NBR 16202:2013
Tabela 3-2 Dimensões máximas das fendas.
Topo Base Corpo
Grau de Severidade 1 a 2 1 a 4 1 a 7
Largura máxima 5 mm 10 mm 5 mm
Comprimento máximo 300 mm 300 mm 1 m
Rachas anelar: Separação dos tecidos lenhosos, ao longo das fibras, entre dois anéis de
crescimento. O defeito deve ter uma profundidade máxima de 50 mm.
Nós: parte de um galho ou ramo inserido no lenho durante o crescimento da árvore, constituído
por tecido lenhoso com características que diferem daqueles da madeira que o circunda. Os nós podem ser classificados como cariado (parcialmente deteriorado por agente biológico ou mecânico), solto (nó que não se mantém retido na madeira durante ou após a secagem) ou vazado (orifício causado pela queda de um nó). Os diâmetros dos nós cariados, soltos ou vazados não devem ultrapassar os limites apresentados na Tabela 3.3.
Tabela 3-3 Dimensões máximas para nós. Comprimento
nominal (m)
D máximo (cm)
Soma dos diâmetros (D) em trechos de 30 cm, desprezados D ≤ 1,5 cm
≤ 14 8,5 20 cm
> 14 13 25 cm
De acordo com normas (NBR 16202:2013 e ASTM D25-99:2005), alguns defeitos presentes em peças roliças são tidos como inaceitáveis quando a destinação é a construção civil. Peças que apresentam apodrecimento, principalmente no cerne e na medula (Figura 3.5), fraturas transversais e separações devidas às propriedades diferenciais de retração e fibras retorcidas (Figura 3.6) devem ser descartadas em uma análise visual.
Figura 3-5 Sinal de apodrecimento do cerne e da medula. Fonte: Calil Jr. e Brito (2010)
Figura 3-6 Separação devida às propriedades diferenciais de retração e fibras retorcidas. Fonte: Calil Jr. e Brito (2010)
Apesar de representar a maneira mais simples de avaliação da qualidade da madeira, e de ser muito eficaz em termos de eliminar peças com baixa resistência, a bibliografia mostra
que a classificação visual geralmente condena uma grande quantidade de material erroneamente, gerando grande desperdício. Visando máximo rendimento e eficácia, recomenda-se que a classificação visual seja sucedida de outras técnicas de classificação da madeira. Para esse fim, são utilizadas as classificações mecânicas.
Estudos realizados por um grupo de pesquisa espanhol analisaram a influência de certos tipos de defeitos na resistência e peças estruturais de madeira.
Arriaga Martitegui et al (2007) utilizaram 84 vigas de Pinus sylvestris L. e Pinus pinaster Ait., provenientes de construções antigas, para analisar o efeito de defeitos de borda (“wanes”) nas peças (Figura 3.7). Do total da amostra, 51 peças apresentaram defeitos nas bordas. Além da medição das dimensões dos defeitos de borda, os autores consideraram outros parâmetros, que são geralmente utilizados em análises visuais: tamanho e posição de nós, fissuras e inclinação das fibras. A análise das propriedades física e mecânica foi realizada através da obtenção de valores de módulo de elasticidade, resistência a flexão e densidade. Levando em conta apenas os defeitos de borda, a aplicação de classes visuais rejeitou 38% das peças. Entretanto, análise estatística revelou que não houve diferenças significativas (P-Valor = 0,76) entre os valores das propriedades mecânicas obtidas em peças com e sem defeitos de borda. O estudo concluiu que, até o limite das dimensões testadas, os defeitos de borda não prejudicam as propriedades mecânicas das vigas de madeira. Os autores sugerem que esse tipo de defeito pode ser desconsiderado das análises visuais, diminuindo a proporção de peças descartadas erroneamente.
Figura 3-7 Localização dos defeitos de borda. Fonte: Arriaga Martitegui et al (2007)
Esteban et al (2010) estudaram a influência das fendas na resistência da madeira estrutural provenientes de 28 peças de Pinus sylvestris L. retiradas de estruturas do final do século XVIII e localizadas em Aranjuez, província de Madrid. As peças foram inicialmente cortadas em seções retangulares de dimensões preestabelecidas. Para as medições das fissuras, foram considerados espessura, inclinação, comprimento, profundidade e área de influência
(Figura 3.8). As propriedades mecânicas foram obtidas através de ensaios de flexão estática. Valores de flexão e de cisalhamento foram analisados estatisticamente em relação a influência das fissuras encontradas em cada peça. A análise foi realizada de acordo com normativa (UNE 56544) e utilizando a área de influência das fissuras. Os autores não encontraram correlação entre os parâmetros mecânicos e o tamanho das fissuras em nenhum dos dois métodos utilizados para análise.
Figura 3-8 Esquema das fissuras e área de influência. A1=Área total. A2=Área de influência, incluindo sobreposições de fissuras. A3=Área de influência, sem sobreposições de fissuras.
Fonte: Esteban et al (2010)
3.4. Classificação Mecânica
A classificação mecânica da madeira é, normalmente, baseada em modelos de correlação entre uma propriedade não destrutiva, com maior facilidade de ser obtida, e outras propriedades que se deseja determinar. A classificação mecânica deve ser realizada utilizando-se peças de dimensões comerciais, pois há diferença entre coeficientes de variação e distribuição de frequência dos resultados de propriedades obtidas em corpos de prova e em peças estruturais (KRETSCHMANN; HERNANDEZ, 2006). Esse mesmo aspecto é levantado por Sandoz (1990), que destaca que a variabilidade da amostra pode interferir de maneira significativa para a classificação da madeira, pois amostras com diferentes valores médios de resistência e diferentes valores de coeficiente de variação podem apresentar o mesmo valor característico, mas probabilidades de ruína muito diferentes. O modo de ruptura de pequenos corpos de prova é diferente daquele obtido em peças estruturais, podendo afetar os valores da resistência característica (KRETSCHMANN; HERNANDEZ, 2006).
Nos Estados Unidos, durante os anos 60 e 70, conforme cresciam informações sobre propriedades obtidas em peças de dimensões comerciais (BOHANNAN, 1966; DOYLE; MARKWARDT, 1966, 1967, 1968; JOHNSON; KUNESH, 1975; KUNESHAND JOHNSON 1972, 1974; LITTLEFORD, 1978; LITTLEFORD; ABBOTT, 1978), cresceram também questionamentos em relação a classificação da madeira a partir de corpos de prova pequenos e isentos de defeitos. A série de estudos publicada por Madsen (1975, 1976 e 1978) finalizaria a discussão, demonstrando que a resistência a flexão, obtida em corpos de prova de pequenas dimensões, estaria sendo superestimada em 25% a 35% quando comparada com peças comerciais. Estudo de Bodig (1977) confirmou a superestimação de valores. Um extenso programa de ensaios denominado “In-Grade” foi então desenvolvido nos Estados Unidos e no Canadá com o objetivo de classificar a madeira da forma como era comercializada (GREEN et al., 1989), sendo o precursor das normas de classificação produzidas até os dias de hoje.
A Austrália foi o primeiro país a implementar a classificação mecânica considerando as espécies agrupadas e não para espécies de forma isolada. Esse tipo de classificação é especialmente favorável em regiões tropicais, onde há centenas de diferentes espécies no mercado, tornando a identificação inviável (KRETSCHMANN; HERNANDEZ, 2006). Além disso, espécies de aparência semelhantes podem ter propriedades mecânicas completamente diferentes (KRETSCHMANN; HERNANDEZ, 2006), tornando a avaliação visual ineficiente como forma única de classificação.
Espécies plantadas de rápido crescimento (como é o caso do pinus e do eucalipto no Brasil e em outros países de clima tropical) têm sido pouco aceitas em mercados dos EUA e da Europa, por haver desconfiança quanto as propriedades mecânicas, fazendo com que a classificação mecânica seja importante para a comprovação das propriedades destas espécies (KRETSCHMANN; HERNANDEZ, 2006). Os autores associam os elevados ângulos de microfibrilas à baixa resistência e rigidez da madeira com rápido crescimento.
3.5. Normas de Classificação
Nas normas internacionais as classes de resistência são estabelecidas em função de ensaios de flexão em peças estruturais (módulo de elasticidade e tensão de ruptura) e as demais propriedades (compressão, tração, cisalhamento etc.) são propostas por meio de correlações com os valores obtidos em flexão. As classes de resistência são estabelecidas por cada país, e o número de classes, bem como os valores de propriedades esperadas para cada classe, apresentam grandes variações. A norma Australiana AS 2878 (SAA, 1986) contempla 12
classes resistentes para a madeira estrutural, enquanto a norma Europeia (EN 338:2009) 9 classes. A norma americana não contempla classes de resistência de espécies agrupadas. No entanto, a ASTM D1990:2007 contém procedimentos para o cálculo das propriedades de projeto para grupos de espécies (Classes de Resistência) a partir de ensaios em peças com dimensões estruturais.
O procedimento geral para a classificação da madeira estrutural na Europa e nos Estados Unidos consiste em, primeiramente, separar visualmente o lote em subpopulações. Esse procedimento não elimina a variabilidade de propriedades, mas a reduz, aumentando a precisão da classificação mecânica. Os ensaios para enquadramento da amostra em classes de resistência são realizados por métodos não destrutivos (máquinas de classificação, métodos de propagação de ondas etc.). Os parâmetros de classificação associados são, normalmente, o módulo de elasticidade (EM) e a resistência (fm) obtidos em flexão estática, sendo os demais parâmetros de
resistência e de rigidez determinados por correlações com EM e fm.
No Brasil, existem duas normas que servem de base para caracterização e classificação de madeira para uso estrutural. A NBR 7190:1997, Projeto de estruturas de madeira, define procedimentos que devem ser utilizados para caracterização do material. Diferentemente do que acontece com normas de outros países, a NBR 7190:1997 indica que sejam utilizados os resultados obtidos em compressão paralela às fibras como parâmetro de correlação com outras propriedades mecânicas (resistência e módulo de elasticidade obtidos em tração e flexão estática). Os ensaios de compressão devem ser realizados, de acordo com o texto normativo, em corpos de prova pequenos e isentos de defeitos. Estudo da literatura, entretanto, revela que esse método está ultrapassado.
A NBR 15521:2007, Ensaios não destrutivos — Ultrassom — Classificação mecânica de madeira serrada de dicotiledôneas, “especifica os requisitos para utilização de equipamento de ultrassom na madeira e define critérios para avaliação dos parâmetros resultantes dessa aplicação visando a classificação mecânica” (NBR 15521:2007) de madeira proveniente de florestas tropicais nativas com idade média de 45 anos. A norma apresenta classes obtidas por correlações entre parâmetros acústicos (velocidade de propagação de ondas e coeficiente de rigidez) e parâmetros mecânicos (módulo de elasticidade em flexão e compressão e resistência a compressão). Os parâmetros de compressão são indicados na norma para ser possível fazer um elo com a NBR 7190:1997.
A NBR 15521:2007 propõe a classificação utilizando três diferentes formas, em função da condição de umidade:
1) madeira com umidade acima do ponto de saturação das fibras (PSF), adotado como
sendo de 30%;
2) madeira na condição de equilíbrio ao ar, nesta Norma considerada no intervalo de
11% a 13% de umidade;
3) madeira com umidade entre o equilíbrio (11 a 13%) e a saturação (30%).
Para o caso da madeira com umidade acima do ponto de saturação das fibras (30%), as classes são definidas por meio de intervalos de velocidade de propagação de ondas de ultrassom na direção longitudinal às fibras, denominado de VLLsat. Para madeiras com umidade em torno
de 12% (de 11% a 13%), as classes são definidas por meio de intervalos de constante de rigidez na direção longitudinal, denominado de CLL. Para madeiras com umidades inferiores ao PSF
(30%) e superiores à umidade de equilíbrio (acima de 13%), a velocidade de propagação das ondas na direção longitudinal, denominada VLL, deve ser corrigida por meio da equação 3.1,
obtendo-se a velocidade correspondente na condição saturada (VLLsat), com a qual se pode
ingressar nas classes utilizando a primeira condição.
ap LL
LLsat
V
xU
V
=
−
1745
+
+
16
+
ρ
Equação 3.1Onde VLLsat é o valor numérico predito pela equação para a velocidade na peça com teor de
umidade maior que 30%, em metros por segundo (m.s-1); VLL é o valor numérico da velocidade na peça
com teor de umidade entre 12% e 30%, em metros por segundo (m.s-1); U é o valor numérico do teor de
umidade da viga, em porcentagem (%) e ρap é o valor numérico da densidade aparente da viga na
umidade U%, em quilogramas por metro cúbico (kg.m-3).
A norma brasileira de classificação de vigas de madeira (NBR 15521, 2007) propõe o uso de transdutores de faces planas. Por outro lado, pesquisas internacionais têm proposto o uso de transdutores de pontas secas (ou exponenciais).
Considerando a possibilidade de utilização, como elementos estruturais, da madeira proveniente de floresta plantada e de rápido crescimento no Brasil, Lorensani (2013) avaliou a adequação das faixas de classificação e da equação de determinação da velocidade na condição saturada, a partir de valores de velocidade em umidades entre o ponto de saturação (30%) e o equilíbrio (12%), ambos propostos pela NBR 15521:2007. O autor utilizou peças serrada oriundas de 4 espécies do gênero Eucalyptus (Eucalyptus grandis, Corymbia citriodora, Eucalyptus pellita e Eucalytus globulus) de diferentes idades (8 a 40 anos). As peças, em
diferentes condições de umidades, foram ensaiadas com equipamento de ultrassom e, ao atingirem condição de equilíbrio (umidade aproximada de 12%), foram ensaiadas em flexão estática. Seus resultados mostraram que as classes de resistência da NBR 15521:2007 foram adequadas apenas para a madeira provenientes de árvores adultas (>25 anos), porém foi necessária aplicação de coeficiente de redução de 1,18 nos valores das velocidades obtidas nos ensaios. Para madeira de árvores jovens, a classificação utilizando as classes da norma não se mostrou adequada. Em relação a correção da velocidade, Lorensani (2013) propôs alteração dos parâmetros da Equação 3.1, determinados para espécies nativas e com idades elevadas, para a madeira serrada de Eucalipto (Equação 3.2).
ap LL
LLsat
xV
xU
x
V
=
−
2544
+
1
,
24
+
17
+
0
,
33
ρ
Equação 3.2 3.6 ConclusãoA revisão bibliográfica mostrou a importância e as possibilidades de uso da madeira roliça em aplicações estruturais. Também ficou evidenciado que a classificação mecânica da madeira, na condição bruta (roliça), é importante indicativo de suas propriedades na condição processada (madeira serrada). Estas questões justificam a pesquisa com a madeira roliça.
Em relação ao uso de propagação de ondas, os resultados apresentados na revisão indicam correlações estatisticamente significativas com propriedades mecânicas, bem como resultados adequados quando o método é utilizado para separar lotes de toras ou vigas por qualidade. No Brasil já há uma norma de classificação de madeira serrada por ultrassom, mas não há estudos indicando se essa mesma norma poderia ser aplicada para a classificação de madeira roliça. Também não há no Brasil, ou em outro país, norma de classificação mecânica de madeira roliça por ultrassom, justificando este estudo, que visa fornecer subsídios para a elaboração de uma norma.
4. MATERIAL E MÉTODOS 4.1. Amostragem
Foram adotadas três espécies de eucalipto (Eucalyptus grandis, Eucalyptus cloeziana e Eucalyptus saligna), com densidades variadas (Tabela 4.1), buscando maior abrangência dos resultados para o gênero. As espécies foram adotadas de acordo com a disponibilidade de serrarias comerciais da região de Campinas. As espécies foram divididas em lotes de 18 peças roliças (Tabela 4.1). Os Lotes 1 e 2 (densidades extremas) foram utilizados para a avaliação dos parâmetros e o Lote 3 (densidade intermediária) para a validação dos resultados.
Tabela 4-1 Amostragem da pesquisa
Lotes Espécies Densidade Tabelada* kg.m-3 Árvores Toras de cada árvore Peças roliças Variação de diâmetro mm Lote 1 Eucalyptus grandis 640 6 3 18 147,3 a 299,5 Lote 2 Eucalyptus cloeziana 822 3 6 18 58,2 a 280,5 Lote 3 Eucalyptus saligna 731 3 6 18 91,0 a 245,3 *NBR7190 (1997)
As faixas de diâmetro adotadas por Calil Jr. e Brito (2010) para as diferentes aplicações da madeira roliça (0,07 m a 0,10 m; 0,15 m a 0,18 m; 0,25 m a 0,30 m) foram utilizadas, com adaptações, como referência para este trabalho. A adoção de diâmetros variados foi feita para avaliação da influência desse parâmetro na propagação de ondas de ultrassom, e consequentemente, na proposta de classes.
Todas as toras tinham aproximadamente 3,6m de comprimento. Esse valor foi adotado a fim de que todas as peças pudessem ser acondicionadas de maneira adequada, de acordo com a infraestrutura disponível. Além disso, para essa adoção foi levado em consideração os ensaios de flexão, tanto em relação as dimensões do pórtico disponível para os ensaios como em relação às especificações de normas (ASTM D198, 2008 e EN 408, 2010).
4.2. Ensaio de ultrassom nas toras saturadas
Os ensaios não destrutivos foram realizados com equipamento de ultrassom (USLab, Agricef, Brasil) e transdutores longitudinais de 45 kHz de faces exponenciais e planas, visando avaliar se havia um tipo de transdutor mais adequado. As medições de ultrassom foram
realizadas de forma direta, na direção paralela às fibras (comprimento da tora) (Figura 4.1a). Com base em metodologia utilizada anteriormente pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Ensaios Não Destrutivos (LabEND) da Faculdade de Engenharia Agrícola (FEAGRI), as medições foram realizadas em três posições (central, próximo a casca e entre o centro e a casca) – Figura 4.1b. Para toras de menores diâmetros, foi necessário reduzir o número de medições.
Para a utilização dos transdutores de faces exponenciais, pequenos orifícios foram feitos nas extremidades das toras. Nos ensaios com transdutores planos, para que houvesse melhor acoplamento entre a madeira e o transdutor, foi utilizado gel medicinal.
Devido a necessidade de repetição dos ensaios de ultrassom durante a secagem das peças e a impossibilidade de realizar os ensaios com os transdutores planos nos pontos onde os orifícios foram feitos para a utilização dos transdutores exponenciais, não foi possível realizar as medições com os dois tipos de transdutores nos mesmos pontos. Por esse motivo foi adotado o esquema representado pela Figura 4.1b para os ensaios.
As primeiras medições de cada amostra foram realizadas com as toras recém abatidas (umidade acima de 30%). No caso do Lote 3 as toras já foram entregues com umidades abaixo de 30% de umidade (umidade média de 23%), inviabilizando a obtenção da velocidade na condição saturada.
a b
Figura 4-1 Ensaio direto com propagação longitudinal na tora (a) e posicionamento do transdutor plano (vermelho) e exponencial (verde) na seção transversal (b)
4.3. Ensaio de ultrassom durante a secagem
Após os primeiros ensaios de ultrassom, na condição saturada (recém abatida), as toras foram acondicionadas em local protegido de ações climáticas, a fim de que fosse possível a secagem das peças. O acompanhamento da umidade foi realizado com medidor capacitivo
(PM1-E, Merlin, Brasil) - Figura 4.2 - até as toras a atingirem umidade em torno do equilíbrio (12%). Cada medição da umidade foi realizada em três pontos de cada peça (base, meio e topo).
Figura 4-2 Controle de Umidade
Durante a secagem os ensaios de ultrassom foram realizados seguindo a metodologia já descrita no item 4.2. Os ensaios de ultrassom em diferentes condições de umidade foram realizados para a avaliação de adequação, para as peças roliças, do modelo de correção da velocidade com a variação da umidade proposto pela NBR 15521 (2007) para vigas (madeira serrada).
Ao atingirem a umidade de equilíbrio (em torno de 12%) as toras foram ensaiadas em flexão estática.
4.4. Ensaio de flexão estática da madeira roliça na umidade de equilíbrio
Os ensaios de flexão estática foram realizados em pórtico com atuador hidráulico com capacidade de carga de 500 kN (Figura 4.3) para a determinação da resistência (fm) e do Módulo
de Elasticidade (EM).
Os ensaios de flexão foram realizados de acordo com a EN 408 (2010), norma também válida para madeira roliça – condição simplesmente apoiada com 2 cargas aplicada nos terços do vão (L). Mesmo considerando a condição estática (cargas aplicadas nos terços do vão) que minimiza os efeitos do cisalhamento, o comprimento das toras sempre foi suficiente para permitir que o vão livre também estivesse de acordo com as especificações das normas para este fim (ASTM D198, 2008), que indica que o vão mínimo (L) para o ensaio de flexão deve ser de, no mínimo, 11 vezes o diâmetro da tora.
Figura 4-3 Ensaio de Flexão estática na madeira roliça
4.5. Análise visual
Imediatamente antes dos ensaios de flexão estática, todas as toras passaram por análise visual. Para essa análise foi verificada a presença e a dimensão de fendas e de rachaduras, e a existência de abertura entre os anéis de crescimento (shake). As toras foram, então, separadas em lotes de diferentes grupos, definidos a partir de características e limites sugeridos pela NBR 16202:2013 e apresentadas na Tabela 4.2.
Tabela 4-2 Faixas de classificação visual
Características
Grupo I Grau de severidade 1 a 3 das rachas das extremidades; grau de severidade 1 e 2
das rachas do corpo; sem presença de rachas anelares.
Grupo II Grau de severidade 4 a 6 das rachas das extremidades; grau de severidade 3 e 4
das rachas do corpo; sem presença de rachas anelares.
Grupo III
Grau de severidade 7 e 8 das rachas das extremidades; grau de severidade 5 e 6 das rachas do corpo; presença de rachas anelares com ângulo menor ou igual a
90º.
Grupo IV
Grau de severidade 9 e 10 das rachas das extremidades; grau de severidade 7 e 8 das rachas do corpo; presença de rachas anelares com ângulo mais que 90º e
4.6. Determinação da densidade
Imediatamente após ensaio de flexão estática foram retirados três discos, de aproximadamente 100 milímetros de espessura, ao longo do comprimento de cada tora (base, meio e topo). Foram realizadas medições da massa e das dimensões dos discos para a determinação da densidade aparente média de cada tora. As medições das dimensões foram realizadas com paquímetro digital e repetida em diferentes pontos, tanto na medição do diâmetro quanto da altura. Após as medições os discos foram acondicionados em estufa para secagem, até que atingissem a condição anidra.
O acompanhamento da umidade foi feito por equipamento capacitivo, que tem limitação de precisão na inferência da umidade, principalmente nas peças de maior diâmetro. Por isso, após atingirem a condição anidra os discos passaram novamente por pesagem a fim de se determinar a umidade média de cada tora. Estes valores de umidade foram utilizados nas correções de densidade, de velocidade de propagação de ondas e dos resultados obtidos em flexão estática, de forma a homogeneizar os dados para a umidade de referência da norma (12%).
4.7. Cálculos
a) Cálculo das Velocidades
As velocidades longitudinais diretas de ultrassom (VL), em todas as condições de
umidade, foram obtidas através da relação entre o comprimento da peça (L) e o tempo de propagação da onda no material (t). O valor final de velocidade adotado para cada tora (VL) foi
a média das velocidades obtidas nos diferentes pontos de medição (Figura 4.1 b).
b) Avaliação do modelo de correção da velocidade em função da umidade
De posse dos valores da velocidade na condição saturada (umidade acima de 30%) e nas demais condições de umidade (entre 30% e 12%), foi avaliado se os modelos de correção das velocidades para a condição de madeira saturada, adotados pela NBR 15521 (2007) e por Lorensani (2013), Equações 3.1 e 3.2 respectivamente, poderiam ser aplicados para a madeira roliça.
A fim de se obter resultados mais adequados para o tipo de material estudado nessa pesquisa, um novo modelo de correção para as velocidades nas diferentes condições de umidade foi proposto.
c) Determinação da Constante de Rigidez (CLL)
De posse dos resultados obtidos nos ensaios de propagação de ondas de ultrassom e nos ensaios de densidade, ambos corrigidos para 12% de umidade, a constante de rigidez (CLL),
expressa em MPa, foi obtida pela Equação 4.1.
C ρ %× V² × 10 Equação 4.1
Onde: ρ12% é a densidade aparente da madeira com umidade ≅12%, expressa em kg.m-3; V12 é
a velocidade de propagação da onda na madeira corrigida para 12 %, expresso em m.s-1.
A correção das velocidades obtidas para umidades entre a saturação (30%) e a umidade de equilíbrio (12%) foi feita utilizando-se a equação 4.2 de Costa (2005). Essa equação foi obtida pelo autor para o Eucalipto e por isso foi utilizada nesta pesquisa.
= , ( ) Equação 4.2
A densidade foi corrigida para 12% de acordo com a EN 384 (2010): para cada 1% de variação da umidade em relação a 12%, foi considerada variação de 0,5% na densidade.
d) Determinação da resistência (fm) e do Módulo de Elasticidade (EM) obtidos em flexão
estática
De posse dos resultados obtidos em flexão estática, a resistência (fm) e o módulo de
Elasticidade (EM) das toras foram calculados de acordo com a EN 408 (2010), por meio das
Equações 4.4e 4.5, respectivamente, as quais foram adaptadas para a seção circular. f = ×"×#×!×$ Equação 4.4
Onde: P é a máxima carga aplicada na tora durante o ensaio de flexão, expressa em N; L é o comprimento da tora, expresso em mm; D é o diâmetro da seção transversal da tora, expresso em mm.
%& = '×(
$×()
*+%,-.+%)
×/×0*×(1*+% 1.+%) Equação 4.5
Onde: P40% e P10% são 40% e 10% da máxima carga aplicada na tora durante o ensaio de flexão,
