Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Florestal
Relação da resistência com a umidade e com a densidade da madeira de um clone de Eucalyptus urophylla
Estudante: Maiara Neri Josino, matrícula 09/0123956 RG: 2833047 – SSP – DF
CPF: 03592234196
Linha de pesquisa: Tecnologia da Madeira
Orientador: Ailton Texeira do Vale
Trabalho apresentado ao Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília, como parte das exigências para obtenção do título de Engenheiro Florestal
Brasília, junho de 2014
Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Florestal
Relação da resistência com a umidade e com a densidade da madeira de um clone de Eucalyptus urophylla
Maiara Neri Josino
Ailton Texeira do Vale (Orientador)
Trabalho apresentado ao Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília, como parte das exigências para obtenção do título de Engenheiro Florestal
Brasília, junho de 2014
2
iv
Sumário
LISTA DE FIGURAS ... v
LISTA DE TABELAS ... vi
RESUMO ... vii
ABSTRACT ... viii
2. OBJETIVOS ... 10
2.1. Objetivo Geral ... 10
2.2. Objetivo Específico ... 10
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 10
3.1. Caracterização da espécie ... 10
3.2. Umidade da madeira ... 11
3.3. Resistência da Madeira ... 11
3.4. Características Físicas ... 12
3.4.1. Densidade básica ... 12
3.4.2. Retratibilidade ... 13
3.5. Resistência e Umidade ... 14
3.6. Resistência e Densidade ... 15
3.7. Ensaios Mecânicos ... 16
3.7.1. Compressão Paralela ... 16
3.7.2. Compressão Perpendicular... 16
3.7.3. Cisalhamento Paralelo ... 17
3.7.4. Flexão Estática ... 17
4. MATERIAL E MÉTODOS ... 18
4.1. Caracterização do local ... 18
4.2. Amostragem ... 19
4.3. Confecção de corpos de prova ... 19
4.4. Caracterização Física ... 19
4.4.1. Densidade Básica ... 19
4.4.2. Retratibilidade ... 20
4.4.3. Teor de umidade inicial ... 20
4.4.4. Umidade no ponto de saturação de fibras. ... 21
4.5. Ensaios mecânicos ... 21
4.5.1. Compressão Paralela ... 21
4.5.2. Compressão Perpendicular... 22
4.5.3. Ensaio de Cisalhamento ... 23
4.5.4. Ensaio de Flexão Estática ... 23
v
4.6. Análise Estatística ... 24
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 24
5.1. Caracterização Física ... 24
5.2. Caracterização Mecânica ... 26
5.2.1. Resistência mecânica para as condições saturada e a 12% de umidade ... 26
5.2.2. Umidade no ponto de saturação das fibras ... 27
5.2.3. Variação da resistência e módulo de elasticidade com a variação da umidade ... 28
5.2.4. Relação entre resistência e densidade ... 30
6. CONCLUSÃO ... 31
7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ... 32
LISTA DE FIGURAS Figura 1: Inchamento volumétrico em função do teor de umidade para diferentes espécies. . 13
Figura 2: Relações entre propriedades mecânicas e o teor de umidade de "Stika Spruce". .... 14
Figura 3: Relação entre módulo de ruptura e densidade básica para condição saturada e seca ao ar para várias espécies. ... 15
Figura 4: Tipos de rupturas que poderão ocorrer com a realização do ensaio de compressão axial ... 16
Figura 5: Relação entre carga e deformação registradas no ensaio de compressão perpendicular às fibras. ... 17
Figura 6: Forma, dimensões do corpo-de-prova e direção da carga utilizadas no ensaio de flexão estática, segundo a Norma COPANT 30:1-006. ... 18
Figura 7: Curvas de regressão de resistência em compressão perpendicular para diferentes teores de umidade. ... 28
Figura 8: Relação entre a variação da resistência máxima em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática a cada variação unitária da umidade em diferentes teores de umidade. ... 29
Figura 9: Variação da resistência máxima em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática para diferentes densidades. ... 30
Figura 10:Paquímetro digital. ... 37
Figura 11: Balança de precisão. ... 37
Figura 12: Estufa sem circulação forçada. ... 37
Figura 13: Máquina universal de ensaios... 37
vi
Figura 14: Máquina universal de ensaio. Detalhe do painel de controle. ... 39
Figura 15: Ensaio de compressão paralela. ... 39
Figura 16: Ensaio de compressão perpendicular. ... 39
Figura 17: Ensaio de cisalhamento. ... 39
Figura 18: Corpo de prova usado para a determinação da resistência ao cisalhamento ... 39
Figura 19: Ensaio de flexão estática. ... 40
LISTA DE TABELAS Tabela 1: Valores médios e coeficientes de variação de densidade básica, retração radial, retração tangencial, retração volumétrica e coeficiente anisotrópico. ... 25
Tabela 2: Valores característicos de resistência máxima da madeira de clone de em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática nas condições de 12% de umidade e saturada.. ... 26
Tabela 3: Valores médios da umidade no ponto de saturação de fibras. ... 27
vii RESUMO
Com a crescente utilização de madeira fez-se necessário a produção de clones de crescimento rápido e com boa qualidade física e mecânica, sendo o Eucalyptus um gênero que se adequa a essas características. A umidade da madeira mesmo não sendo uma característica intrínseca do material se relaciona à sua resistência, onde esta diminui com o aumento do teor de umidade. Este estudo tem como objetivo realizar a comparação da resistência mecânica da madeira saturada e da madeira a 12% de umidade de um clone de Eucalyptus urophylla. Coletou-se a madeira da fazenda Riacho, no município de Vazante em área da Votorantim Siderurgia (VS). As toras foram desdobradas e confeccionadas em corpos de prova para a caracterização física e determinação da resistência máxima em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento e flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática de acordo com a norma Copant. Os ensaios foram conduzidos em duas etapas, primeiro com a madeira saturada, seguido pela madeira a 12% de umidade. As médias de resistência máxima em todos os tipos de ensaio diferiram a um nível de significância de 5% entre os dois tratamentos, afirmando a relação entre resistência e umidade do material. As propriedades de resistência e módulo de elasticidade apresentaram tendência de redução com o acréscimo da umidade. Porém, as mesmas propriedades apresentaram tendência de aumento com o acréscimo da densidade do material.
Palavras chave: resistência mecânica, umidade e densidade.
viii ABSTRACT
With the growing use of wood became necessary to produce clones of rapid growth and good physical and mechanical quality, Eucalyptus is a sort that suit these characteristics. The wood moisture is not an intrinsic characteristic of the material but it relates to their resistance, where it increases with increasing moisture content. This study aims to make a comparison of the strength of the saturated wood and wood at 12% moisture content of a clone of Eucalyptus urophylla. The wood was collected at Riacho farm in the municipality of Vazante in the area of Votorantim Steel (VS). The logs were split and made into samples for physical characterization and mechanical testing of parallel compression, compression, shear and bending in accordance with standard COPANT. The tests were conducted in two steps, first with saturated wood, followed by wood at 12% moisture. The averade of maximum strength in all types of test registered a significant difference at a level of 5% significance. Strength properties and elastic modulus tended to decrease with the addition of moisture. However, the same properties tended to increase with the increase of the density of the material.
Key words: mechanical strength, moisture and density.
9 1. INTRODUÇÃO
Há um crescente interesse de empresas da área florestal no aumento da produtividade de seus plantios e na qualidade da madeira. O Eucalipto tem sido uma importante matéria prima para o setor florestal, podendo ser utilizado em indústrias de celulose e siderurgia, além da construção civil, produção de móveis e painéis e outros produtos industrializados. Neste sentido estas empresas têm investido de forma significativa no melhoramento florestal e no desenvolvimento de mudas a partir de clonagem, possibilitando uma produção em larga escala, que fez com que as florestas gerassem matéria prima com ciclos de produção mais curtos, resultando em uma elevada produtividade. Os clones formam uma floresta mais homogênea e unificada, promovendo, segundo Viana et al. (2010), um melhor desempenho industrial.
O desenvolvimento tecnológico dos usos da madeira vem crescendo nas últimas décadas, aumentando seus fins de utilização e ajudando a criar outras formas de produtos oriundos dessa matéria prima (Beltrame et al., 2010). Os produtos da madeira, por serem usados nas mais variadas formas, exigem um padrão de qualidade para que se obtenha um produto final adequado.
Dentre as características que definem essa qualidade estão as propriedades físicas e mecânicas. As propriedades mecânicas definem a resistência da madeira quando submetida a esforços externos. A resistência é influenciada por fatores como massa específica (densidade), porcentagem de lenho juvenil, teor de umidade do ambiente e retratibilidade.
Segundo Arganbright (1971) apud Scanavaca Junior e Garcia (2004) a densidade é uma das propriedades mais importantes na caracterização da madeira, visto que sua variação altera a sua resistência mecânica. Ela é fundamental para a produção industrial e na sua utilização.
A retratibilidade é a movimentação da madeira quando sua estrutura ganha (inchamento) ou perde (retração) água, no momento em que o nível de umidade está abaixo do seu ponto de saturação de fibras (Scanavaca Junior e Garcia, 2004). Sendo que a retração tangencial é sempre maior que a radial e a relação entre essas retrações gera o coeficiente anisotrópico, em que, quanto mais próximo de um for o seu valor mais alta é a qualidade da madeira, pois menor será a variação da sua movimentação em diferentes direções. (Scanavaca Junior e Garcia, 2004).
Embora a umidade não possa ser considerada como uma característica intrínseca da madeira, o seu estudo é indispensável por se tratar de uma variável que afeta o comportamento do material (Silva e Oliveira, 2003). Há muito tempo sabe-se que a
10 resistência da madeira varia com o teor de umidade, diminuindo à medida que este aumenta.
Essa variação na resistência é mais perceptível quando o material encontra-se baixo do ponto de saturação de fibras, sendo praticamente desprezível acima dele (Logsdon, 1998), portanto deve-se estipular uma umidade de referência quando se deseja comparar duas espécies ou indivíduos, de forma a não haver erros no aferimento de suas resistências.
A escolha dos melhores clones se dá pela determinação da produtividade e pela caracterização da madeira. A caracterização da madeira pode ser feita com a amostragem destrutiva, determinando as propriedades anatômicas, físicas, químicas e mecânicas, a partir de ensaios com corpos de prova sadios. Na caracterização física determina-se, principalmente, a massa específica e a retratibidade e na caracterização mecânica podem ser feitos ensaios de flexão estática, compressão paralela ás fibras, compressão perpendicular ás fibras e cisalhamento.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Caracterização física e mecânica do clone VS19 de Eucalyptus urophylla, na condição saturada e a 12% de umidade.
2.2. Objetivo Específico
Determinação da densidade básica, da retratibilidade tangencial e radial e das tensões em compressão paralela às fibras, compressão perpendicular às fibras, cisalhamento paralelo às fibras e flexão estática.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Caracterização da espécie
Eucalyptus urophylla é uma espécie da Indonésia e de Timor que ocorre naturalmente na costa de Timor a partir de 500 metros de altitude até cerca de 3000 metros, onde forma uma floresta com árvores de até 45 metros de altura e com diâmetro que pode chegar a mais de dois metros. Esta espécie também é encontrada em outras ilhas da Indonésia ao leste da Linha de Wallace, a qual passa entre Bali e Lombok. (Moura, 2004)
11 É uma espécie do subgênero Symphyomyrthus (Pryor e Jonhson, 1971). Sendo uma das poucas espécies que ocorrem fora da Austrália, no Árquipélago Sonda e é também uma das poucas que ocorrem em latitudes inferiores à 10º S, sendo sua zona de ocorrência entre 7º 30’ a 10º S de Latitude e 122 a 127º de Longitude. As altitudes de ocorrência variam até 2960 metros acima do nível do mar. (Martin e Cossalter, 1976 apud Scanavaca Junior, 2001).
Dentre as espécies do Brasil, o Eucalyptus urophylla além de ser uma das espécies mais plantadas, com aproximadamente seiscentos mil hectares (Ferreira, 1999) é a que possui maior potencial de crescimento por conta de sua boa produtividade, seu potencial de utilização para diversos fins (papel, celulose, chapas duras, serraria, carvão entre outros) e por sua tolerância ao fungo causador do cancro do Eucalyptus (Cryphonectria cubensis) (Scanavaca Junior; 2001).
3.2. Umidade da madeira
O estudo da umidade da madeira é importante, pois ela afeta diversas características do material como trabalhabilidade, estabilidade dimensional, resistência mecânica e durabilidade natural. Tratando-se de um material orgânico e de estrutura complexa e heterogênea, a madeira é altamente higroscópica, possuindo retrações e inchamentos de acordo com o teor de umidade do ambiente (Silva e Oliveira, 2003).
As dimensões da madeira se alteram substancialmente com a variação da umidade no intervalo de 0% até o ponto de saturação das fibras. Neste intervalo, conhecido como intervalo higroscópico, ao aumentar o teor de umidade, as dimensões da madeira aumentam (inchamento) e ao diminuir o teor de umidade as dimensões diminuem (retração) (Longsdon, 1998).
O estado em que a madeira se encontra em equilíbrio com o meio ambiente é chamado de umidade de equilíbrio. Madeiras devem apresentar uma umidade próxima à de equilíbrio quando em uso, pois uma vez atingida essa condição os problemas relativos à retratibilidade serão amenizados (Silva e Oliveira, 2003).
3.3. Resistência da Madeira
A madeira possui vantagens em relação a outros materiais, quando do uso em construções civis, por ser mais confortável, ser bom isolante térmico e acústico, ser esteticamente agradável, possuir um fácil manuseio e ser proveniente de reservas naturais renováveis. Por
12 se tratar de um material orgânico, sua qualidade e resistência dependem de fatores especiais, tais como seu ritmo de crescimento, espécie, idade e padrão de exposição a fatores climáticos, etc.
Nesse sentido, para que uma determinada espécie de madeira possa ser usada para fins estruturais, é necessário o conhecimento da resistência do material. As propriedades mecânicas e físicas da madeira variam dentro da própria tora, de forma axial e radial, longitudinalmente e radialmente e entre espécies. Segundo Tomazello Filho (1985) existem importantes variações nas propriedades físico-mecânicas entre as árvores, mesmo quando são originadas do mesmo clone e do mesmo sítio. Isso se deve à característica biológica das árvores com suas fontes naturais de variação que, muitas vezes, não podem ser eliminadas.
Segundo Lobão et al (2004) madeiras de menor densidade possuem menor resistência mecânica, em comparação com as madeiras de alta densidade, evidenciando a forte relação entre a densidade da madeira e as suas propriedades mecânicas.
3.4. Características Físicas 3.4.1. Densidade básica
A madeira é um material heterogêneo que possui diferentes tipos de células, adaptadas ao desempenho de funções específicas. As variações nas suas composições químicas, físicas e anatômicas são grandes entre espécies. Dentro da mesma espécie, elas também ocorrem conforme a idade, posição na árvore, fatores genéticos e ambientais etc (Shimoyama, 1990).
De acordo com Moreschi (2005) a densidade é uma das propriedades mais importantes da madeira, pois dela dependem grande parte de suas propriedades físicas e tecnológicas, em geral as madeiras mais pesadas são mais resistentes, mais elásticas e mais duras que as leves, porém são difíceis de trabalhar e apresentam grande variabilidade estrutural. Afirma ainda que que essa propriedade é um reflexo das várias influências externas e internas que atuam na organização e nas dimensões das células do lenho. Para Panshin e Zeeuw (1980), há uma diminuição da densidade no sentido base-topo.
Muitas vezes, pela dificuldade de se determinar com exatidão o volume da madeira a 0 % de umidade, pelo fato dela começar a adsorver umidade do ambiente assim que é retirada da estufa, e desejando-se resultados mais precisos, determina-se a massa específica aparente básica da madeira através da relação entre massa seca e volume úmido da madeira (Moreschi, 2005).
13 3.4.2. Retratibilidade
O princípio da retratibilidade se deve ao fato das moléculas de água estarem ligadas por ligações de hidrogênio às moléculas de celulose que forma as microfibrilas da madeira, e quando estas são forçadas a sair, deixam um espaço, e as forças de coesão tendem a reaproximá-las, causando, portanto, contração da madeira como um todo. O fenômeno da expansão é o inverso, ou seja, quando a água adsorvida pela madeira, tende a penetrar entre as microfibrilas, causando, portanto, o afastamento delas e o consequente inchamento da peça de madeira como um todo (Oliveira et al, 2010).
Oliveira et al (2010) afirmam também que madeiras mais densas, por terem maior concentração de células de paredes mais espessas, tendem a absorver mais água por unidade de volume e, consequentemente, a expandir ou contrair mais do que aquelas de menor densidade.
A madeira sofre retração e inchamento com a variação da umidade entre 0% e o ponto de saturação de fibras (PSF). O fenômeno é mais importante na direção tangencial, onde a retração tangencial varia de 5 a 10%, seguida da retração na direção radial que é cerca da metade da retração tangencial e da retração longitudinal que é a menos pronunciada, variando apenas entre 0,1 a 0,3% (Pfile e Pfile, 2003).
Kollmann e Coté (1984) mostram que o inchamento volumétrico tem uma variação linear para as alterações de umidade abaixo do ponto de saturação das fibras e é praticamente constante acima dele (figura 1).
Figura 1: Inchamento volumétrico em função do teor de umidade para diferentes espécies.
(Kollmann & Coté,1984 adaptado por Longsdon, 1998)
14 (Panshin & Zeew apud Teixeira, 2008) afirmam que na madeira juvenil a contração é mais elevada na região da medula, apresentando uma diminuição no sentido medula-casca.
Tal desbalanceamento entre as contrações é chamado de fator anisotrópico, ou relação entre a retratibilidade na direção tangencial e na radial. Esse valor mostra a propensão das peças de madeira apresentarem defeitos, como o fendilhamento. Tais valores variam de 1,3 a 1,4 para madeiras muito estáveis a mais de 3 para espécies extremamente instáveis dimensionalmente, como no caso das madeiras de muitas espécies do gênero Eucalyptus (Oliveira et al, 2010).
3.5. Resistência e Umidade
A umidade tem grande efeito nas propriedades da madeira. As propriedades mecânicas tendem a aumentar proporcionalmente à queda da umidade quando esta encontra- se abaixo de 25%, em média, ou seja, abaixo do ponto de saturação de fibras, considerando- se uma variação aproximadamente linear das propriedades nessa situação. Acima desse ponto a resistência permanece constante (Pfile e Pfile, 2003).
Com a figura 2 pode-se perceber a redução da resistência em flexão estática, compressão paralela e em compressão perpendicular em relação ao aumento do teor de umidade, onde a partir de aproximadamente 26% de umidade a resistência se mantêm constante com a alteração da umidade.
Figura 2: Relações entre propriedades mecânicas e o teor de umidade de "Stika Spruce" (1 psi
≅ 0,006895MPa). Markwardt e Wilsson adaptado por Bodig & Jayne (1992).
15 De acordo com a Norma Brasileira NBR 7190, os valores de resistência obtidos em ensaios com corpos de prova devem ser corrigidos quando se encontram a uma umidade entre 10 e 20% para um valor de 12% de umidade. A resistência deve ser corrigida pela equação 1:
σ12= σU%[1 + 3
100∗ (𝑈% − 12)] Equação 01.
E a rigidez deve ser corrigida pela equação 2:
MOE
12 = 𝑀𝑂𝐸U%[1 + 2100∗
(
𝑈% − 12)
] Equação 02.Em que σ12 é a resistência a 12% de umidade que se deseja obter; σu é a resistência obtida à umidade que o corpo de prova se encontra; U% é a porcentagem de umidade aferida;
MOE12 é o módulo de elasticidade a 12% de umidade e MOEU%é o módulo de elasticidade obtido à umidade que o corpo de prova se encontra.
3.6. Resistência e Densidade
Panshin e De Zeeuw apud Lobão (2004) afirmaram que a variabilidade da maior parte das propriedades mecânicas da madeira pode ser estimada com base na variação da densidade.
Segundo Markwardt e Wilson (1935) a resistência mecânica aumenta proporcionalmente com o aumento da densidade, e para uma mesma densidade o aumento da umidade provoca uma redução na resistência do material. A figura 3 reforça essa afirmação.
Figura 3: Relação entre módulo de ruptura e densidade básica para condição saturada e seca ao ar para várias espécies. (Markwardt e Wilson, 1935)
16 3.7. Ensaios Mecânicos
3.7.1. Compressão Paralela
O ensaio de compressão paralela às fibras é importante para avaliar espécies de madeira destinadas a peças usadas como pilares, que servirão de base para elevadas cargas, nesse tipo de ensaio é feita uma pressão na secção transversal do corpo de prova de forma paralela às fibras a uma velocidade constante até atingir seu limite de elasticidade e por consequência seu rompimento. A seguir é apresentada uma sequência de imagens que mostram as possíveis formas de ruptura dos corpos de prova:
Figura 4: Tipos de rupturas que poderão ocorrer com a realização do ensaio de compressão axial: a) amassamento; b) rachadura lateral; c) cisalhamento; d) rachadura longitudinal; e) amassamento e cisalhamento paralelo à grã e; f) deslizamento na forma de vassoura (Moreschi, 2005).
3.7.2. Compressão Perpendicular
O ensaio de compressão perpendicular às fibras tem a finalidade de avaliar a resistência da madeira para usos específicos, em alguns casos como dormentes, tacos e assoalhos, onde o esforço efetuado sobre a peça de madeira seja similar a estes exemplos, ou seja, de esforço estático onde a madeira corre o risco de sofrer esmagamento quando ocorre deformação plástica (Moreschi, 2005).
Para esse tipo de ensaio, aplica-se uma carga a uma velocidade constante sobre a face tangencial do corpo de prova, perpendicularmente às fibras, que se apoia sobre uma base com resistência superior à madeira. Neste ensaio, segundo Moreschi (2005), é determinada a tensão no limite proporcional do material, pois por não existir uma carga máxima mensurável, ela é aplicada somente até o limite de elasticidade. Após tal valor o material
17 tende a amassar, logo a resposta aferida se referirá tão somente à resistência da combinação entre a deformação plástica residual do material e do esforço contrário exercido pela base de apoio da máquina sobre o corpo de prova, o que pode ser expressado pela figura 5.
Figura 5: Relação entre carga e deformação registradas no ensaio de compressão perpendicular às fibras. (Moreschi, 2005)
3.7.3. Cisalhamento Paralelo
No ensaio de cisalhamento mede-se a resistência máxima da madeira ao esforço aplicado paralelamente às fibras da madeira resultando em um deslizamento entre duas partes. É importante para avaliar espécies de madeira destinadas a peças como roletes, calandras, polias e vigas (Moreschi, 2005), que sofrerão pressões de cargas apoiadas sobre um determinado local que poderá romper no contato entre suas fibras, como em telhados que se apoiam sobre vigas.
A seção de trabalho pode variar, fazendo com que o cisalhamento ocorra tanto na face tangencial como na face radial da madeira, sendo que a resistência à ruptura é alterada com essa escolha. O cisalhamento na face tangencial é influenciado pela quantidade de lenho (tardio e inicial) presente, em que amostras com mais lenho tardio apresentam uma maior resistência à ruptura. Já a separação das fibras na face radial é influenciada pela espessura dos raios, em que raios largos apresentam uma menor resistência (Moreschi, 2005).
3.7.4. Flexão Estática
O ensaio de resistência à flexão estática consiste em aplicar uma força sobre um corpo de prova de dimensão 2x2x30 centímetros, que repousa sobre dois apoios. Este ensaio deve ser realizado de forma que a carga seja aplicada na metade do comprimento do corpo de prova e
18 no sentido adequado, atendendo à norma, sendo observado a forma e a orientação da madeira.
A carga é aplicada na face tangencial da amostra que é colocada sobre dois apoios distante um do outro no valor de 14h, onde “h” é a altura do corpo de prova obtido pela medição da dimensão da face radial do mesmo.
A medida que a carga é aplicada na face tangencial, a superfície superior do corpo de prova sofre um esforço de compressão enquanto que a superfície inferior sofre um esforço de tração. Quando a tensão do material atinge seu valor máximo o corpo de prova sofre ruptura, dando fim o ensaio.
Figura 6: Forma, dimensões do corpo-de-prova e direção da carga utilizadas no ensaio de flexão estática, segundo a Norma COPANT 30:1-006. (Moreschi, 2005)
4. MATERIAL E MÉTODOS
4.1. Caracterização do local
As amostras de madeira foram coletadas em área da Votorantim Siderurgia (VS), na fazenda Riacho, no município de Vazante, Estado de Minas Gerais (17° 36’ 09”S e 46° 42’ 02” O, com altitude de 550 m. A vegetação natural na região é o cerrado e o tipo de solo predominante é o Latossolo Vermelho distrófico com textura argilosa. Segundo a classificação de Köppen (Köppen e Geiger, 1928), o clima da região é do tipo “AW”, caracterizado por extenso período com baixa precipitação. A temperatura média anual é 26,5 °C e a precipitação média anual, 1350 mm, apresentando déficit hídrico médio de 480 mm, do início de março ao final de outubro, com base em dados da empresa para o período de 1999 a 2009 (Souza et al, 1012). O déficit hídrico na região de estudo pode atingir valores de até 722 mm/ano (Oliveira et al., 2008).
19 4.2. Amostragem
O material utilizado neste estudo foi proveniente de um povoamento de clones de Eucalyptus urophylla denominados VS19, com idade de 16 anos. Foram selecionadas cinco árvores pelo princípio da amostragem aleatória simples que foram derrubadas e desdobradas.
Quatro peças com aproximadamente um metro de comprimento foram retiradas de cada árvore e usadas para ensaios saturado e seco a 12% de umidade.
4.3. Confecção de corpos de prova
As amostras foram transportadas para marcenaria do Laboratório de Produtos Florestais (LPF) do Serviço Florestal Brasileiro (SFB) para confecção dos corpos de prova.
Primeiramente, foram trabalhadas as amostras destinadas aos ensaios a 12% de umidade. Elas foram cortadas em pranchões de seção quadrada com aresta de seis centímetros por um metro de comprimento e empilhadas com o auxílio de tabiques, em ambiente coberto para a secagem ao ar livre por aproximadamente quatro meses. Posteriormente levados à secadora de forma a acelerar o processo. O restante das amostras, destinadas a ensaios saturados, foram confeccionadas em corpos de prova de acordo com cada ensaio seguindo a norma COPANT (Comissão Panamericana de Normas Técnicas): compressão paralela - norma COPANT 30:1-008/1971, compressão perpendicular - norma COPANT 30:1-011/1971, cisalhamento - norma COPANT 30:1-007/1971 e flexão estática - norma COPANT 30:1- 006/1971. O mesmo foi feito com as amostras destinadas ao ensaio a 12% de umidade após o período de secagem. Os corpos de prova foram levados ao Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília (UnB) onde foram realizados os ensaios.
4.4. Caracterização Física 4.4.1. Densidade Básica
Para cada corpo de prova de todos os ensaios foram determinadas as dimensões com o auxílio de um paquímetro digital de precisão 0,01 mm e sua massa com auxílio de uma balança com sensibilidade de 0,01 g. Em seguida os corpos de prova foram colocados em estufa sem circulação de ar a uma temperatura de 103 ± 2 ºC até que atingissem massa constante. Após a secagem as dimensões e a massa foram aferidas novamente. Para o cálculo
20 da densidade básica, utilizou-se a relação entre massa seca e volume saturado do material conforme a expressão 03:
ρ =M0%
Vsat Expressão 03.
Em que:
ρ: densidade básica (g/cm³);
M0%: massa na condição a 0% de umidade (g);
Vsat: volume do corpo de prova na condição saturada (cm³).
4.4.2. Retratibilidade
Com os corpos de prova destinados aos ensaios de flexão estática foram realizados os cálculos de retrações. Foram usadas as dimensões da largura desses copos de prova para calcular as retrações tangenciais e as dimensões da altura para calcular as retrações radiais com a expressão 04.
R(t, r) =Du−Ds
Du ∗ 100 Expressão 04.
Em que:
R(t, r): retração na face desejada (tangencial ou radial) (%);
Du: dimensão úmida (tangencial ou radial) (mm);
Ds: dimensão a 0% (tangencial ou radial) (mm).
4.4.3. Teor de umidade inicial
A umidade inicial de cada corpo de prova foi calculada com base na diferença de massa apresentada nos mesmo sob condições saturada e seca, de acordo com a expressão 05:
U =Pu−Ps
Ps ∗ 100 Expressão 05.
Em que:
U: umidade da madeira (%);
Pu: peso úmido (g);
Ps: peso a 0% de umidade (g).
21 4.4.4. Umidade no ponto de saturação de fibras.
a. Pela relação entre retração e densidade básica
A umidade no ponto de saturação de fibras foi obtida pela relação entre retração volumétrica máxima e densidade básica para cada corpo de prova destinado aos ensaios de flexão estática, como na expressão 06.
(𝑈𝑝𝑠𝑓 = 𝑅vmáx
𝐷𝑏 ) Expressão 06.
b. Pela interseção das curvas resistência e umidade.
Para cada grupo de teor de umidade (saturado e a 12% de umidade) foi ajustado uma equação, sendo usada aquela que possuía o maior R². Com a equação gerada para cada curva foram estimados valores de resistência. Assim com a equação gerada pelos dados a 12% de umidade foram estimados valores para os teores de umidade acima desse valor. E para a equação gerada pelos dados saturados foram estimados valores de resistência para teores de umidade abaixo desse teor de umidade.
A variação da resistência com a variação da umidade para os dados a 12% de umidade é maior que para os dados saturados, consequentemente a curva gerada é mais inclinada que para os valores saturados. O ponto de saturação de fibras foi aferido no ponto em que as curvas estimadas de resistência por umidade se cruzaram.
4.5. Ensaios mecânicos
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Tecnologia de Madeira do departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília. Foi utilizada a máquina universal de ensaios da marca Emic com capacidade máxima de carga de 30.000 kg.
4.5.1. Compressão Paralela
Para o ensaio de compressão paralela foram utilizados 43 corpos de prova com dimensões de 5 x 5 x 20 cm (face radial, tangencial e longitudinal). Aplicou-se uma carga a uma velocidade constante de 0,6 mm/min sobre o corpo de prova, que se apoiava sobre a base da máquina com resistência superior à da madeira.
22 Para a determinação da resistência máxima (σmáx) a carga é verificada no momento em que ocorre a ruptura do corpo de prova submetido ao esforço, ou seja, no seu limite de ruptura (LR), utilizando a expressão 07:
σmáx =Fmáx
A Expressão 07.
Em que:
Fmáx = carga no limite de ruptura (N);
A = área (b x h) (mm²).
sendo que:
b = altura radial e;
h = altura tangencial.
4.5.2. Compressão Perpendicular
Para o ensaio de compressão perpendicular foram utilizados 49 copos de prova com dimensões de 5 x 5 x 15 cm (face radial, tangencial e longitudinal). Foi definida e fixada uma compressão máxima para a movimentação da máquina sobre o corpo de prova, sendo definida como 2% do valor do lado da amostra. Um suporte de ferro com uma largura de 56,02 mm foi colocado entre a máquina e o corpo de prova de modo a focalizar a carga na região central. Sobre este, a uma velocidade constante de 0,3 mm/min foi exercida uma carga e aferido o valor no momento em que a máquina atinge a amplitude máxima de movimentação pré-estabelecida.
De posse dos dados de carga suportada em de cada corpo de prova, calculou-se a resistência no limite proporcional (σLP) da peça pela expressão 08.
σLP= FLP
A Expressão 08.
Em que:
FLP = carga no limite proporcional (N);
A = área (L1 x L2) (mm²).
em que:
L1 = largura do corpo de prova (mm);
L2 = largura da base se ferro (mm).
23 4.5.3. Ensaio de Cisalhamento
Para o ensaio de resistência ao cisalhamento foram utilizados 60 corpos de prova com as dimensões 5 x 5 x 6,5 cm (radial, tangencial e longitudinal), sendo feito um corte em uma das arestas menores de 2 x 1,5 cm. A força foi aplicada a uma velocidade constante de 0,6 mm/min na face transversal sobre a secção de dois centímetros descrita anteriormente.
Para o cálculo da resistência à ruptura por cisalhamento utilizou-se a expressão 9.
σmáx =Fmáx
A Expressão 9.
Em que:
Fmáx = carga no limite proporcional (N);
A = área (b x h) (mm²).
sendo:
b = largura (mm) e;
h = altura (mm).
4.5.4. Ensaio de Flexão Estática
Para o ensaio foram usados 69 corpos de prova com dimensões de 2 x 2 x 30 cm (radial, tangencial e longitudinal). As amostras foram apoiadas sobre um vão de 28 cm para a aplicação da força a uma velocidade controlada de 1 mm/min.
Para avaliar as propriedades dos corpos de prova, determinam-se o módulo de elasticidade (MOE) à flexão estática de acordo com a expressão 10.
MOE = FLP .L³
4.f.b.h³ Expressão 10.
Em que:
FLP = carga no limite proporcional (N);
L = vão livre (mm);
f = deformação (mm);
b = altura radial (mm);
h = altura tangencial (mm).
24 Para o cálculo do módulo de ruptura à flexão estática (MOR) utilizou-se a expressão 11.
MOR =3.Fmáx.L
2.b.h² Expressão 11.
Em que:
Fmáx = carga no limite proporcional (N);
L = vão livre (mm);
b = altura radial (mm);
h = altura tangencial (mm).
Os valores característicos das propriedades da madeira foram estimados pela expressão 12.
𝑋wk =(2 ∗ 𝑥1+ 𝑥2+⋯+𝑥𝑛 2⁄ −1 𝑛
2−1 ) ∗ 1,1 Expressão 12.
onde os resultados devem ser colocados em ordem crescente x1 ≤ x2 ≤ ... ≤ xn, desprezando- se o valor mais alto se o número de corpos de prova for ímpar, não se tomando para Xwk
valor inferior a x1, nem a 0,7 do valor médio (xm) (ABNT, 1997).
4.6. Análise Estatística
Com o auxílio do Software Microsoft Excel 2010, foi feito a Análise de Variância entre os dois tratamentos (condição saturada e condição a 12% de umidade) a um nível de significância de 5%.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Caracterização Física
Na Tabela 1 estão os valores médios das características físicas da madeira do clone de Eucalyptus urophylla.
25 Tabela 1: Valores médios e coeficientes de variação de densidade básica (Db), retração radial (Rr), retração tangencial (Rt), retração volumétrica (Rv) e coeficiente anisotrópico (Ca = Rt/Rr).
Db Rr Rt Rv Ca
Valores 0,621 8,0 10,3 18,3 1,3
CV (%) 13 15 14 10 25
Valores semelhantes de densidade básica para a mesma espécie foram encontrados por Ribeiro e Zani Filho (1993) (0,559 g/cm³) e Scanavaca Júnior (2004) (0,655 g/cm³). Desse modo, com a classificação das madeiras em pesada, média ou leve baseada nos limites de intervalo de ≤0,50; 0,50 – 0,72 e ≥0,72, de acordo com os procedimentos adotados pelo IBAMA (Nogueira et al. apud Nogueira, 2008), considera-se a madeira de Eucalyptus urophylla avaliada nesse estudo como de média densidade.
Para a mesma espécie Scanavaca Júnior (2004) encontrou os valores 7,2, 12,5, 0,11, 19,8 e 1,8% para as retrações radial, tangencial, longitudinal, volumétrica e coeficiente anisotrópico respectivamente. Valores de retração semelhantes aos encontrados neste trabalho também foram observados por Oliveira et al (2010). O fator anisotrópico calculado assemelha-se com o fator anisotrópico encontrado para a madeira de Corymbia citriodora (1,4) por Oliveira et al (2010), que por sua vez a compara com a madeira de mogno (Switenia macrophylla) considerada uma das de maior estabilidade dimensional existentes no mundo.
O autor afirma que esse índice, quando varia de 1,3 a 1,4, é característico de madeiras muito estáveis dimensionalmente.
Durlo e Marchiori apud Oliveira et al (2010) apresentaram o seguinte critério de classificação da madeira quanto a esse parâmetro: 1,2-1,5 – considerado excelente, ocorrendo em madeira de cedro, sucupira, mogno, balsa entre outras; 1,5-2,0 – normal, exemplificados em ipê, pinus, araucária, peroba-rosa e teca, entre outras espécies; e acima de 2,0 – como ruim, que pode ocorrer em madeiras de araucária, imbúia, álamo e jatobá, entre outras espécies.
26 5.2. Caracterização Mecânica
5.2.1. Resistência mecânica para as condições saturada e a 12% de umidade
Na tabela 2 encontra-se os valores característicos das resistências máximas de compressão paralela às fibras, compressão perpendicular às fibras, cisalhamento paralelo às fibras, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática submetidos a duas condições de umidade.
Tabela 2: Valores característicos de resistência máxima da madeira de clone de em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática nas condições de 12% de umidade e saturada.
Ensaio 12% n CV (%) Saturada n CV (%)
Resistência máxima em:
Compressão Paralela (MPa) 52,1 42 11 32,1 53 18
Compressão Perpendicular (MPa) 12,6 41 17 8,1 62 29
Cisalhamento (MPa) 12,6 48 13 8,6 57 15
Flexão Estática (MPa) 88,2 40 29 76,1 69 12
Módulo de Elasticidade em:
Flexão Estática (MPa) 14544,3 40 25 11538,7 69 12
1
O aumento do teor de umidade na madeira reduz os valores de resistência mecânica, principalmente acima do ponto de saturação de fibras, o que pode ser observado neste trabalho, onde as médias de resistências a 12% de umidade diferiram daquelas na condição saturada, ao nível de significância de 5% pela análise de variância. Stangerlin (2010), Longsdon (1998) e Haselein et al (2002) também encontraram uma redução da resistência da madeira com o aumento da umidade para as espécies Caryaillinoinensis illinoinensis, Eucalyptus grandis e Eucalyptus saligna respectivamente.
Oliveira e Hellmeister (1998) em trabalho com Eucalyptus urophylla com idade média de dezesseis anos, utilizando equações de regressão, estimaram valores semelhantes de resistência em madeira saturada para os ensaios de compressão paralela (34 MPa), cisalhamento (9 MPa), módulo de ruptura em flexão estática (60 MPa) e para módulo de elasticidade em flexão estática (9398 MPa). Trabalhando com a mesma espécie, com idade de 6,3 anos e proveniente do mesmo local que a madeira deste trabalho, Evangelista et al (2010), encontrou valores inferiores de módulo de ruptura (77 MPa) e de módulo de elasticidade em
1CV: coeficiente de variação; n: número de repetições.
27 flexão estática (9869 MPa), na condição de 12% de umidade. Scanavaca Júnior e Garcia (2004) encontraram valores superiores para madeira de Eucalyptus urophylla com dezenove anos de idade a 12% de umidade para os ensaios de compressão paralela (64 MPa), cisalhamento (18 MPa), módulo de ruptura em flexão estática (127 MPa) e para módulo de elasticidade em flexão estática (17738 MPa).
5.2.2. Umidade no ponto de saturação das fibras a. Pela relação entre retração e densidade básica.
Na tabela 3 estão os valores médios por árvore da umidade no ponto de saturação das fibras calculados pela relação entre retração volumétrica máxima e a densidade básica. O valor médio encontrado foi de 26%.
Tabela 3: Valores médios da umidade no ponto de saturação de fibras.
Árvores 1 2 3 4 5 Média
Média 24,5 26,5 25,8 25,3 28,3 26,1
b. Pela interseção das curvas resistência e umidade.
Para a determinação do teor de umidade no ponto de saturação de fibras pelo método da interseção de curvas foi usado a propriedade de compressão paralela, pois esta é a característica adotada pela atual norma brasileira para classificar as espécies em classes de resistência, além de ser o que apresentou melhor correlação entre os dados e a curva. O ponto de saturação de fibras foi encontrado em aproximadamente 24% de umidade, como pode ser observado na figura 7.
28 Figura 7: Curvas de regressão de resistência em compressão perpendicular para diferentes teores de umidade.
O método em que se utiliza a relação entre a retração volumétrica máxima e a densidade básica apresentou-se menos conservador com valor igual a 26%, enquanto a interseção de curvas apresentou um valor de 24%, sugerindo que a umidade no ponto de saturação das fibras para o clone de Eucalyptus urophylla está entre estes dois valores.
5.2.3. Variação da resistência e módulo de elasticidade com a variação da umidade
Devido à tendência linear apresentada nos gráficos resistência-umidade, pode-se calcular a variação das resistências máxima com a variação de 1% da umidade da madeira, pela razão entre resistência e teor de umidade do material (MPa/%), para diferentes teores de umidade. Observou-se uma forte relação entre essas variáveis, em que a queda de resistência da madeira do clone estudado a cada variação de umidade, é maior quanto menor for a quantidade de água higroscópica no material, sendo possível observar essa relação por meio da figura 8 (de A a E), onde abaixo do ponto de saturação de fibras há uma queda acentuada da curva, enquanto que após esse ponto a variação é pequena.
Segundo Longsdon (1998) a linearização é utilizada para uma variação de umidade desde a condição seca em estufa até o ponto de saturação das fibras. Nestes casos, porém os erros podem chegar a 10 ou 20%. Assim, a hipótese de linearidade do diagrama resistência- umidade só é recomendável para pequenos intervalos de umidade.
y = 0,0002x2- 0,0411x + 2,6444 R² = 0,9162
y = 181,87x-1,452 R² = 0,8266
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 Compressão Paralela/Umidade (MPa/%)
Umidade (%)
29
a) b)
c) d)
e)
Figura 8: Relação entre a variação da resistência máxima em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática a cada variação unitária da umidade em diferentes teores de umidade.
Foram encontrados, para uma variação unitária no teor de umidade abaixo do ponto de saturação de fibras, as seguintes variações: 7% na compressão paralela, 6% na compressão perpendicular, 7% no cisalhamento paralelo, 7,3% no módulo de elasticidade e 7,3% em módulo de ruptura em flexão estática. Markwardt e Wilson (1935) encontraram, variações na ordem de: 6% na compressão paralela, 3% no cisalhamento paralelo, 2% no módulo de elasticidade e 4% no módulo de ruptura em flexão estática para a madeira de Picea sitchensis para teores de umidade abaixo do ponto de saturação de fibra. Essa diferença entre os resultados pode ser causada pela diferença de espécies, sendo uma conífera e outra folhosa.
0 2 4 6 8
0 20 40 60 80 100 120 Compressão Paralela/Umidade (MPa/%)
Umidade (%)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
0 20 40 60 80 100 120 Compressão Perpendicular/Umidade (MPa/%)
Umidade
0 0,5 1 1,5
0 20 40 60 80 100 120 Cisalhamento/Umidade (MPa/%)
Umidade (%)
0 5 10 15
0 50 100
MOR/umidade (MPa/%)
Umidade (%)
0 500 1000 1500 2000
0 50 100
MOE/Umidade (MPa/%)
Umidade (%)
30 5.2.4. Relação entre resistência e densidade
A densidade básica do clone de E. urophylla variou de 0,472 a 0,795 g/cm³, o que permitiu analisar a relação entre essa variável e a resistência deste material, como pode ser observado pela figura 9.
a) b)
c) d)
e)
Figura 9: Variação da resistência máxima em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento, flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática para diferentes densidades.
y = 86,621x - 13,847 R² = 0,8189
20 30 40 50 60 70 80
0,45 0,65 0,85
Compressão Paralela (MPa)
Densidade básica (g/cm³)
y = 32,05x - 9,1376 R² = 0,8025
2 7 12 17
0,45 0,65 0,85
Compressão Perpendicular (Mpa)
Densidade básica (g/cm³)
y = 20,212x - 2,3596 R² = 0,689
3 8 13 18 23
0,45 0,65 0,85
Cisalhamento (MPa)
Densidade Básica (g/cm³)
y = 216,76x - 56,778 R² = 0,5389
0 50 100 150 200 250
0,45 0,65 0,85
MOR (MPa)
Densidade (g/cm³)
y = 25625x - 3575,9 R² = 0,581
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
0,45 0,65 0,85
MOE (MPa)
Densidade (g/cm³)
31 A resistência mecânica e o módulo de elasticidade do material aumentaram com a elevação da densidade básica. Tais resultados estão de acordo com Markwardt e Wilson (1935).
Lobão (2004) em trabalho com E. grandis verificou que a madeira de menor densidade atingiu, em todos os resultados, menor resistência mecânica, em comparação com as madeiras de alta densidade, evidenciando a forte relação entre a densidade da madeira e as suas propriedades mecânicas.
Algumas espécies de madeira contêm quantidades relativamente grandes de resinas e outros extrativos. Esses elementos contribuem para o peso, porém não contribuem para a resistência do material, como ocorreria na presença de substância madeira Além disso, as espécies variam no arranjo estrutural de suas fibras. Por estas razões, duas espécies que possuam a mesma densidade básica podem apresentar diferentes características de resistência. (Markwardt e Wilson, 1935).
6. CONCLUSÃO
Com base nos resultados obtidos para a madeira de Eucalyptus urophylla conclui-se que:
A densidade é de 0,621 g/cm³. A retratibilidade radial é 8%, a tangencial é 10,3%, a volumétrica é 18,3 e o coeficiente anisotrópico possui o valor de 1,3.
As propriedades de resistência em compressão paralela, compressão perpendicular, cisalhamento e flexão estática e módulo de elasticidade em flexão estática apresentaram tendência de redução com o acréscimo da umidade e de aumento com o acréscimo da densidade do material.
A umidade no ponto de saturação de fibras para o clone VS19 de Eucalyptus urophylla está entre 24 a 26% de umidade.
A variação da resistência mecânica e do módulo de elasticidade a cada variação unitária percentual de umidade é maior quanto menor for a quantidade de água higroscópica no material. Para valores de umidade acima do ponto de saturação de fibra essa variação é muito inferior.
Há um indicativo que a madeira do clone VS19 de Eucalyptus urophylla é adequada para a finalidade de madeira serrada devido a sua elevada estabilidade dimensional. Esse material deve ser mais estudado para melhores conclusões sobre essa propriedade.
32 7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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37 ANEXO DE FIGURAS
Figura 10:Paquímetro digital.
Figura 11: Balança de precisão.
Figura 12: Estufa sem circulação forçada.
Figura 13: Máquina universal de ensaios.
39 Figura 14: Máquina universal de ensaio.
Detalhe do painel de controle.
Figura 15: Ensaio de compressão paralela.
.
Figura 16: Ensaio de compressão perpendicular.
Figura 17: Ensaio de cisalhamento.
Figura 18: Corpo de prova usado para a determinação da resistência ao cisalhamento: Direita: Secção de trabalho perpendicular aos anéis de crescimento; e Esquerda: Secção de trabalho tangencial
aos anéis de crescimento.
40 Figura 19: Ensaio de flexão estática.
