MADEIRAS PARA CONSTRUÇÃO. PCC 3221 Materiais de Construção Civil I

MADEIRAS PARA

CONSTRUÇÃO

PCC 3221

Objetivos

• Permitir aos alunos:

• Compreender as propriedades relevantes da madeira para uso na construção e como a sua microestrutura influencia no seu comportamento.

• Suas aplicações, considerando os diferentes processos de produção,

Madeira: compósito polimérico natural

Material fibroso

Fibras: constituição • Composta por macromoléculas de celulose, unidades com lignina (e hemicelulose)

Porosidade: depende da espécie

DOI: 10.1098/rsif.2014.0126

Espécies

• Coníferas

• Crescimento mais rápido (geralmente), mais mole, mais porosa.

• Típica de clima temperado • Ex: pinus, pinheiro do Paraná

• Folhosas

• Crescimento mais lento (geralmente), mais dura, menos porosa.

• Típica de clima (sub)tropical

• Ex: mogno, cerejeira, ipê, Pau Brasil,

eucalipto (cresce rápido...não é uma regra)

O que são madeiras de reflorestamento? Madeiras plantadas industrialmente, porque possuem crescimento mais rápido.

Coníferas “softwood”

facilita corte, mais porosa

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Folhosas “hardwood”

mais densa, mais resistente, mais durável

Madeira: defeitos

• Nós

• galhos do tronco

• Mudam orientação das fibras • Afetam • Resistência mecânica • Durabilidade • Estética • MATERIAL HETEROGÊNEO

Madeira: anistropia • Fibras • tem orientação longitudinal, de acordo com o crescimento • Corte

• define planos, com fibras orientadas, ou não, no

eixo perpendicular (aplicação da carga).

•Resistência-deformação depende dos eixos

1(L) 2(R) 3(T) Direção perpendicular à fibra 2 (R) 1 (L) 3 (T) Eixo radial Eixo tangencial

Exercício 1: identifique os eixos, com base nos possíveis cortes

Madeira: higroscópica Classes de umidade UR ambiente (UR_amb) UR equilíbrio na madeira (UR_eq) 1 < 65 % 12 % 2 65 % a 75% 15 % 3 75 % a 85% 18 % 4 > 85% > 25 % Classificação da NBR 7190/1996

A madeira, quando seca, perde água por evaporação. Retração por secagem pode ser um problema.

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Madeira: inchamento-retração volumétrica tangencial radial axial U (%) Dimensões V_sat V_u V_seca u PS = ponto de

saturação das fibras ~30%

Secagem: pode afetar a qualidade da madeira

Resistência x umidade da madeira

Ponto de saturação das fibras

Resistência (avaliação): componentes

Resistência à flexão (bending test)

Resistência à compressão (normal e paralela à fibra)

NBR 7190 (Anexo B)

normal _paralela

Como rompe a madeira?

• Ruptura e propagação da fratura entre fibras • Escorregamento (na hemicelulose),

Propriedades mecânicas da madeira: depende da espécie

NBR 7190

_ap(12) = massa específica aparente a 12 de umidade f_c0= resistência à compressão paralela às fibras

f_t0= resistência à tração paralela às fibras

f_t90 = resistência à tração normal às fibras fv = resistência ao cisalhamento

E_c0 = módulo de elasticidade longitudinal

obtido no ensaio de compressão paralela às fibras

Nome comum Nome científico _ap(12) (Kg/m3) fc0 (MPa) ft0 (MPa) ft90 (MPa) fv (MPa) Ec0 (MPa) n

Pinho do Paraná Araucaria angustifolia 580 40,9 93,1 1,6 8,8 15225 15 Pinus caribea Pinus caribea var. caribea 579 35,4 64,8 3,2 7,8 8431 28 Pinus bahamensis Pinus caribea var.bahamensis 537 32,6 52,7 2,4 6,8 7110 32 Pinus hondurensis Pinus caribea var.hondurensis 535 42,3 50,3 2,6 7,8 9868 99 Pinus elliottii Pinus elliottii var. elliottii 560 40,4 66,0 2,5 7,4 11889 21 Pinus oocarpa Pinus oocarpa shiede 538 43,6 60,9 2,5 8,0 10904 71 Pinus taeda Pinus taeda L. 645 44,4 82,8 2,8 7,7 13304 15

Propriedades mecânicas da madeira: depende da espécie

NBR 7190

Nome comum Nome científico ap(12%) fc0 ft0 ft90 fv Ec0

kg/m3 _{MPa MPa MPa MPa MPa}

Jatobá Hymenaea spp 1074 93,3 157,5 3,2 15,7 23607

Angelim Araroba

Votaireopsis

araroba 688 50,5 69,2 3,1 7,1 12876

Angelim Ferro Hymenolobium spp 1170 79,5 117,8 3,7 11,8 20827

Cedro amargo Cedrella odorata 504 39,0 58,1 3,0 6,1 9839

Cedro Doce Cedrella spp 500 31,5 71,4 3,0 5,6 8058

E. Citriodora Eucalyptus

citriodora 999 62,0 123,6 3,9 10,7 18421

E. Grandis Eucalyptus grandis 640 40,3 70,2 2,6 7,0 12813

_ap(12)= massa específica aparente a 12 de umidade f_c0= resistência à compressão paralela às fibras

f_t0= resistência à tração paralela às fibras

f_t90= resistência à tração normal às fibras fv = resistência ao cisalhamento

E_c0= módulo de elasticidade longitudinal

Resistência x densidade da madeira

Resistência 90:direção dos anéis de crescimento

Propriedades mecânicas:

valor característico (estatístico) da madeira

• Método probabilístico – distribuição normal (n> 30)

Propriedades mecânicas:

valor característico (estatístico) da madeira

• Estimador (6 < n < 12)

Exercício 2: estimando a resistência característica da madeira

• Seis corpos-de-prova de pinus foram ensaiados a resistência à

compressão. Calcule a resistência característica à compressão usando o estimador não paramétrico.

Amostra Resistência à compressão (MPa) 1 38 2 30 3 32 4 36 5 37 6 35

Exercício 2: estimando a resistência característica da madeira

• Seis corpos-de-prova de pinus foram ensaiados a resistência à

compressão. Calcule a resistência característica à compressão usando o estimador não paramétrico.

amostra fc (MPa) 1 30 2 32 3 35 4 36 5 37 6 38 f_ck = 1,1x{[2x(30+32)÷2]-35} = 29,7 MPa

Madeira: projeto estrutural deve considerar a fluência

• Deformação (flechas limites)

• L /350 (vão)

• L/175 (balanços)

Fluência da madeira: depende do nível de carregamento

Fluência da madeira: depende do tipo de tratamento

Fluência da madeira: depende do tipo de tratamento

Madeira após incêndio: mitos e verdades

• Madeira pega fogo, pois é constituída de carbono.

• Porém, contém água em sua composição.

• O calor específico da água é elevado; ou seja, requer muita energia para mudar de estado (evaporar).

• Ou seja, a madeira demora

para ser consumida pelo fogo e perder suas propriedades

mecânicas!

Madeira após incêndio: peças espessas

não causam situações críticas de segurança

Peças espessas não são o problema: detecção e dimensionamento Peças de baixa espessura?

Como se obtém a madeira convencional? Quais impactos ambientais são gerados?

Recurso natural renovável: fixa CO₂

• Madeira (celulose): é obtida a partir das cadeias de glicose, obtidas pela reação da fotossíntese.

6H₂O + 6CO₂ + Energia (Luz) → C₆H₁₂O₆+ 6O₂ http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookPS.html

Florestas Naturais:

Extração predatória (não manejada): baixo aproveitamento de madeira

estradas serrarias

Madeira ilegal e desmatamento: consequências Produtos : resíduos 1 : 8 http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3146/tde-12062013-170523/pt-br.php 8,6t 69,4t 222t

69,4 t de Resíduos florestais serão decompostos

• Queima ou biodeterioração aeróbica

• 1kg de madeira = 0,48 kg de Carbono

C + O₂ → CO₂

12 32 44 kg

1kg de C → ~3,7 kg de CO₂

•Enterrado (condição anaeróbica)

• Gera metano (CH₄)

Exercício 3: emissão tCO₂/t de madeira amazônica serrada? •8,6 t madeira, 69,4 t de resíduos •1t madeira = 0,48t C •69,4 t x 0, 48 t C / t madeira = 33 t C •CO₂ = 3,7 x 33 t = 122 t •122 t CO₂ / 8,6 t madeira = 14 t CO₂/t madeira

• Nenhum produto industrial tem tamanho impacto de mudança climática na construção!!!!!

Madeira Amazonica

não manejada

legal ou ilegal

9,5 – 16,5 t CO

/t

Desmatamento

Qual a pegada de CO

da

madeira plantada?

A plantação de eucaliptos e pinus cresce capturando o CO₂. Na decomposição do resíduo e da madeira este CO₂ é liberado para atmosfera. O balanço é neutro.

Como degrada?

Como considerar aspectos de durabilidade no projeto?

Fungos

• Manchadores

• Peças úmidas, ciclos molhagem-secagem • Efeito estético

• Sem prejuízo as propriedades mecânicas

• Apodrecedores

• Peças úmidas, ciclos molhagem-secagem

• Prejuízo as propriedades

mecânicas (destrói fibras)

Madeira Pinus (bolor)

Madeira piquiarana (Caryocar sp)

Cupins

• Alimenta-se da celulose

(destrói a estrutura da madeira)

Conceitos básicos de biodeterioração Água Nutrientes (celulose, sujeira) Temperatura Tempo ATIVIDADE BIOLÓGICA

Como evitar (projetar p/ durar mais)? - Ambiente seco

Detalhes de projeto: o que deve ser evitado

Detalhes de projeto: o que deve ser evitado

Manchas de cimento sobre madeira crua.

http://www.revistatechne.com.br/engenharia-civil/135/imprime93278.asp

Detalhes de projeto: boas práticas

Categorias dos climas e recomendações:

cap.34 (livro ibracon); NBR 7190 (anexo D) Classes

de risco

Condições Agentes

1 Protegida (UR < 65%), s/ contato com solo ou alvenaria

Cupins (alguns locais) 2 Protegida (UR < 65%), contato com

alvenaria

Cupins (incluindo subterrâneo)

3 Exposta a umidade (não frequente),

s/ contato com solo

Cupins (todos os tipos), fungos (manchadores, apodrecedores)

4 Exposta a umidade (frequente), s/

contato com solo

5 Contato com água doce e solo

6 Água do mar Teredos,

fungos (todos os tipos)

Ag res sivi dad e do meio

Recomendações

• Evitar contato com a alvenaria, o solo, e locais úmidos

• Em locais úmidos (não frequentes), proteger a madeira com sistema de pintura (verniz, stain)

• Contém fungicidas

• Em contato frequente com água doce e solo ou água do mar, madeira precisa ser tratada com fungicidas e inseticidas.

• Mais comuns (CCA – cromo/arsênio)

• São substâncias solúveis e tóxicas. Contaminam o ambiente!!!

É possível “engenheirar” a madeira? Que aspectos podemos melhorar?

Engineered Woods: “man-made!”

• Há diversas razões para industrializar

a madeira

• Reduzir a heterogeneidade • Reduzir a anisotropia

• Melhorar as propriedades mecânicas

• Reduzir as variações dimensionais (deformabilidade) • Aumentar a resistência

• Aumentar o aproveitamento da tora

• Nem toda a seção da tora é apta ao uso estrutural

• Melhorar a durabilidade

• Secar melhor, reduzir vazios (por prensagem e aquecimento), torná-la não-molhável ou menos susceptível ao ataque biológico (ácido acético).

Quais são os tipos de madeiras “engenheiradas”?

Madeira aglomerada (particle board):

menores variações dimensionais, é sensível a umidade

+

₊

Oriented Strand Board (OSB):

resistência/rigidez, menores variações dimensionais

Tiras de madeira orientadas, secas e prensadas com 5% de resinas (fenol-formaldeído, uréia-formaldeído)

Madeira compensada (plywood):

resistência/rigidez, menores variações dimensionais Lâminas finas coladas com resinas

(a base de formaldeído), com fibras orientadas

perpendicularmente. Podem ser prensadas a quente.

Lâmina 1 Lâmina 2 Lâmina 3

+

₊

Compensados

Diversas espessuras (4-25mm) e camadas (3, 5, 7, 9, 13)

Madeira Laminada (laminated venner lumber): peças estruturais em grandes vãos

PU

Medium (or high) density fiberboard (MDF/HDF)

Fibras (< 0.1 mm) prensadas com resinas (~10%)

Tratamento termomecânico

Usos diversos na construção: painéis, fôrmas, móveis, pisos

Móveis decorados são constituídos de madeira aglomerada ou MDF, cobertos com revestimento melamínico

Usos como painéis (casas pré-fabricadas)

Densidade OSB – 700 kg/m³; Rigidez (1,9-4,8 GPa). Resistência à flexão (15-28 MPa)

Compensados de madeira (fôrmas):

Piso

(madeira laminada)

HDF

Barreira acústica, c/ umidade Resina melanina (desgaste a abrasão)

Laminated (or cross-laminated timber):

https://www.apawood.org/ewp-training-module-a Lamina ted Venner Lumber (L VL)

Há diversos tipos de madeira. Como gerenciar esse resíduos?

Resíduos de madeira:

triar para (melhor) reciclar

Engineered woods

Contém colas, resinas, tintas (pode conter formaldeído).

VOCs (polui ambiente interno) Podem ser reciclados

(biomassa-energia). Processos de queima (> 800ºC)

Madeira tratada (CCA, etc)

São resíduos perigosos. Não podem ser incinerados. Destinação possível (aterro industrial classe I). Lixiação contamina solo e água (Ar).

Madeira serrada

Não há substâncias perigosas.

Podem ser reciclados como madeira, biomassa-energia. Qualquer processo industrial de queima (sem restrição)

Manual ABIPA. Gerenciamento de resíduos de madeira industrializada na construção civil.

Leitura Obrigatória

• Ilston; Domone. Caps 52, 53, 54 e 55. Disponíveis no moodle.

• Wood Handbook. Cap 11. Disponível no moodle.

• ABIPA. Gerenciamento de resíduos de

madeira industrializada na construção civil. Disponível no moodle.

Leitura Complementar

• Forest Products Laboratory (USA). Wood handbook.

2010. www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr113/fplgtr113

• Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Projeto de Estruturas de Madeira – NBR 7190/96 – Anexos.

• IPT. Catálogo de Madeiras Brasileiras para a

Construção Civil. 2013. https://www.wwf.org.br/

• IBAMA. Fichas de madeira