CORRELAÇÃO ENTRE AVALIAÇÕES NÃO DESTRUTIVAS E
FLEXÃO ESTÁTICA PARA A MADEIRA DE DEZ ESPÉCIES DA
CAATINGA
Peter Wimmer, Laboratório de Produtos Florestais/Serviço Florestal Brasileiro – LPF/SFB, peter.wimmer@florestal.gov.br
Divino Eterno Teixeira, LPF/SFB, divino.teixeira@florestal.gov.br Luciano Roitman, LPF/SFB, luciano.roitman@florestal.gov.br Cecilia Manavella, LPF/SFB, cecilia.manavella@florestal.gov.br João Evangelista Anacleto, LPF/SFB, joao.anacleto@florestal.gov.br
Ricardo Faustino Teles, Instituto Federal de Brasília, ricardo.teles@ifb.edu.br
Resumo
A utilização de técnicas não destrutivas é uma forma de ganhar escala e reduzir custos para avaliação das características e qualidade de madeiras. As principais vantagens destas técnicas é que são rápidas, permitindo que várias medidas sejam feitas, e principalmente, a preservação das amostras analisadas. Entre as diversas técnicas passíveis de serem usadas em madeira, destacam-se o ultrassom e as ondas de tensão. O objetivo deste trabalho foi verificar a correlação existente entre os módulos de elasticidade dinâmicos, calculados com base nos dados obtidos com as técnicas de ultrassom e de ondas de tensão, comparativamente aos valores do módulo de elasticidade obtidos em ensaios destrutivos de flexão estática. Os ensaios foram realizados em amostras de dez espécies de árvores da Caatinga, utilizando-se um aparelho de ultrassom Pundit Lab, um Stress Wave Timer Metriguard e, para os ensaios destrutivos, uma máquina universal de ensaios segundo a norma da Comissão Pan-americana de Normas Técnicas – COPANT. Os resultados deste estudo demonstram uma fortíssima correlação entre as propriedades determinadas por emissão ultrassônica, ondas de tensão e flexão estática, o que indica que estas técnicas não destrutivas podem ser usadas para avaliar peças de madeira com resultados confiáveis. Entretanto, como existe uma diferença considerável entre os valores obtidos por cada técnica, modelos corrigidos devem ser utilizados para aumentar assim a confiabilidade dos valores preditos.
Palavras-chave: Ultrassom. Ondas de tensão. Módulo de elasticidade. Semiárido.
Abstract
The use of non-destructive techniques is a way of gaining scale and reducing costs for the evaluation of wood characteristics and quality. The main advantages of these techniques are that they are fast, allowing several measures to be taken, and especially, the preservation of the samples analyzed. Among the various techniques that can be used in wood, we highlight
the ultrasound and the Stresswave technique. The objective of this work was to verify the correlation between dynamic elastic moduli, calculated on the basis of the data obtained with the ultrasonic and stresswave techniques, in comparison to the values of the elasticity modulus obtained by the static bending destructive test. The tests were carried out on samples of ten Caatinga tree species, using a Pundit Lab ultrasound device, a Metriguard Stress Wave Timer and, for the destructive tests, a universal testing machine following the Pan American Technical Standards - COPANT. The results of this study demonstrate a very strong correlation between the properties determined by ultrasonic emission, stress waves and static bending, which indicates that these non-destructive techniques can be used to evaluate timber with reliable results. However, since there is a considerable difference between the values obtained by each technique, corrected models should be used to increase the reliability of the predicted values.
Keywords: Ultrasound. Tension waves. Elasticity modulus. Semiarid.
1 Introdução
A madeira é um dos únicos recursos naturais renováveis com propriedades estruturais e um dos materiais mais resistentes por unidade de peso. Além disso, é um material fácil de trabalhar e altamente versátil. Seu beneficiamento requer baixo consumo de energia e por ser biodegradável, os resíduos podem ser totalmente aproveitados. Apesar disso, o conhecimento técnico que se tem a respeito das diferentes espécies de árvores madeireiras e seus usos é incipiente e, portanto, a madeira costuma ser utilizada de forma empírica e ordinária.
Tradicionalmente, a avaliação de peças de madeira tem sido feitas por meios visuais ou por meio de ensaios destrutivos em maquinas universais de ensaio. A avaliação visual permite a exclusão de peças com graves defeitos, no entanto defeitos mais sutis como trincas ou nós internos podem passar despercebidos pelo avaliador. Por outro lado, os testes destrutivos exigem um maior esforço de amostragem e desdobro de corpos de prova, além de inviabilizar o uso da amostra testada.
Avaliações não destrutivas das propriedades físico mecânicas da madeira tem sua origem na necessidade de resolver problemas práticos sem a destruição da integridade dos objetos sob inspeção. O desenvolvimento de métodos científicos não destrutivos foi possível no início do século 20 com o desenvolvimento da teoria da elasticidade e de instrumentos para medição de propriedade da madeira (BUKUR, 2003).
As principais vantagens destas técnicas é que são rápidas, permitindo que várias medidas sejam feitas; a preservação das amostras analisadas; o baixo custo de aquisição do equipamento, quando comparado ao custo de máquinas de classificação automática; facilidade de treinamento da mão-de-obra e utilização pelas indústrias para melhorar o controle de qualidade dos processos por meio de uma maior uniformidade e possibilidade das amostras serem utilizadas em campo (CANDIAN & SALES, 2009; LEG, 2016).
Entre as diversas técnicas passíveis de serem usadas em madeira, destacam-se o ultrassom e as ondas de tensão. O objetivo deste trabalho foi verificar a correlação existente entre os módulos de elasticidade dinâmicos, calculados com as técnicas de ultrassom e de ondas de tensão, e o módulo de elasticidade obtido em ensaios destrutivo de flexão estática.
2 Revisão de literatura
Os ensaios não destrutivos são aqueles realizados em materiais para verificar a existência de descontinuidades ou defeitos, por meio de princípios físicos definidos, sem alterar suas características físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais, e sem interferir em seu uso posterior (ABENDI, 2017). Existem atualmente diversas técnicas de avaliação não destrutiva que são empregadas para a avaliação da madeira, entre as quais se podem destacar as ondas de tensão e o ultrassom.
Os equipamentos de ambas as técnicas trabalham diretamente em contato com a madeira, o funcionamento é baseado na emissão de ondas – sonoras no caso do ultrassom e de tensão no stresswave – em uma das pontas do corpo de prova e o registro do tempo de passagem da onda na extremidade oposta. Ao encontrar um obstáculo à sua livre propagação, as ondas são atenuadas ou refletidas, aumentando o tempo necessário para que percorram a extensão da amostra.
Desta forma, as técnicas podem ser utilizadas para diversas finalidades, permitindo desde a determinação da existência de nós, presença de ataque de microrganismos ou insetos, direcionamento das fibras, decomposição, passando pela avaliação e classificação de elementos estruturais de madeira em uso, até a estimativa de alguns parâmetros como o módulo de elasticidade, calculado com base na relação entre a velocidade do som e a densidade (GORNIAK e MATOS, 2000). O módulo de elasticidade é a capacidade de o material resistir às deformações produzidas pela força aplicada e tornar-se completamente recuperável após as cargas serem removidas (KRETSCHMANN, 2010).
O uso das técnicas de ultrassom para caracterização do comportamento mecânico da madeira foi promovido por R.F.S. Hearmon durante a década de 60 no Reino Unido (BUKUR, 2003). A partir dos simpósios organizados por Pellerin em cooperação com o Laboratório de Produtos Florestais de Madison na década de 70, laboratórios de todo o mundo foram estimulados a iniciar as pesquisas com ultrassom e demais técnicas não destrutivas (ROSS & PELLERIN 1991, 1994). A partir daí, a técnica ultrassônica foi utilizada para:
detecção de defeitos em peças de madeira serrada de Pinus (PUCCINI, 2002); avaliação de postes de madeira (MINÁ et al., 2004); caracterização de madeira juvenil e adulta de pinus (BALLARIN, 2005); para cálculo do módulo de elasticidade (STANGERLIN et al., 2008; CANDIAN et al. 2009 e RIBEIRO et al, 2013); entre outros usos.
Já a técnica de ondas de tensão, tem sido aplicada à madeira para: detecção da
presença de organismos xilófagos(ROSS e PELLERIN, 1994); inspeção de pontes (ROSS et
al., 1999); avaliação da integridade de vigas e pilares em edifício histórico (ABREU et al., 2013); aferição de teores de umidade (MEDEIROS NETO et al, 2016), estimativa do grau de degradação causada por fungos (YANG et al., 2017) e avaliação de propriedades mecânicas de painéis MDP (OLIVEIRA et al., 2017).
Evidencia-se assim que um dos usos mais consagrados das técnicas NDT é na determinação da rigidez de peças de madeira sólida e de produtos compostos visando sua classificação.
Apesar de existir uma grande quantidade de informações publicadas sobre as duas técnicas não destrutivas mencionadas acima, a aplicação destas em madeiras tropicais é relativamente escassa, podendo-se citar Gonçalez et al., (2001); Oliveira et al., (2002) Karlinasari et al., (2008); Stangerlin et al, (2010); Del Menezzi et al., (2010); Ribeiro et al (2016) e Paula et al (2016).
3 Materiais e métodos
O material avaliado foi coletado em novembro de 2014 em áreas de manejo florestal, situadas no município de Lagoa do Sítio, região centro-norte do estado do Piauí. Foram escolhidas dez espécies com base nos diâmetros e abundância apresentados no inventário florestal e no histórico de uso dos moradores da região. Na seleção das árvores para coleta estabeleceu-se o diâmetro de corte mínimo a altura do peito de 20 centímetros e altura comercial de pelo menos 4,5 metros. Além disso, com o objetivo de se obter uma maior representatividade do material coletado, limitou-se a coleta a um indivíduo por espécie em cada talhão. A tabela 1 apresenta a lista de espécies coletadas.
Tabela 1 - Lista das espécies estudadas.
Nomes científicos Nomes Comuns
Aspidosperma pyrifolium Mart. Piquiá Cascudo
Combretum glaucocarpum Mart. Sipaúba
Diptychandra aurantiaca Tul. Birro-branco
Handroanthus impetiginosus (Mart. ex DC.) Mattos Pau D'arco Roxo
Handroanthus sp. Pau D'arco Amarelo
Machaerium cf. brasiliensis Coração-de-negro
Pityrocarpa moniliformis (Benth.) Luckow & R.W.Jobson Rama-de-bezerro
Pterodon abruptus (Moric.) Benth. Pau-amarelo
Swartzia psilonema Harms. Jacarandá-sangue
Terminalia fagifolia Mart. Chapada
Fonte: Os Autores (2017).
A madeira coletada foi transportada em toras até as dependências do Laboratório de Produtos Florestais (LPF) em Brasília, onde então foi desdobrada. De cada uma das 50 árvores foi confeccionado um corpo de prova com seção transversal de 5 x 5 cm e comprimento de 76 cm, conforme determinado pela norma da Comissão Pan-americana de Normas Técnicas - COPANT, nº 555 de 1973 para ensaios de flexão estática. Em seguida, as amostras foram acondicionadas em câmara climática com umidade relativa de 65 ±1% e temperatura de 20 ± 3 ºC até atingirem peso constante.
3.1 Densidade
A determinação da densidade aparente de cada corpo de prova foi realizada por meio do método estereométrico, calculando o volume por meio de medições nas faces radial, tangencial e longitudinal e a massa por meio de uma balança digital eletrônica.
A aplicação da técnica de ultrassom foi realizada utilizando-se o equipamento Pundit Lab com transdutores de 22 kHz. Após aplicação de gel na superfície dos transdutores piezoeletrônicos, o transmissor e o receptor foram posicionados nas faces transversais opostas dos corpos de prova. O equipamento emite ondas na direção longitudinal às fibras e registra as leituras do tempo de propagação em microssegundos em uma tela digital. Com o tempo e a distância percorrida, foi determinada a velocidade, e a partir desta, utilizando-se a equação abaixo, foi possível determinar o módulo de elasticidade dinâmico (MOEdu).
MOEdu = ρ x v2
Onde:
MOEdu é o módulo de elasticidade dinâmico pelo ultrassom (10-6 MPa); ρ é a densidade da madeira (kg/m³); e
v é a velocidade da onda longitudinal (m/s).
3.3 Ondas de tensão
Para avaliação dos corpos de prova por meio da técnica de ondas de tensão utilizou-se o equipamento Stress Wave Timer 239A da empresa Metriguard. O aparelho é composto por um pêndulo, responsável por emitir a onda de tensão, um acelerômetro, um receptor e um console que faz os registros. O acelerômetro percebe o pulso da onda gerada pelo pêndulo e o transforma em um sinal elétrico, que é enviado para console, que por sua vez inicia a contagem do tempo. A onda percorre todo o corpo-de-prova até atingir o receptor na face oposta, que então envia um sinal elétrico para o console que interrompe a contagem. O tempo decorrido é mostrado em microssegundos numa tela de cristal líquido.
Para cada corpo de prova foram feitas três leituras do tempo de propagação da onda. Utilizando-se a média aritmética dos tempos registrados pelo equipamento e a distância percorrida determinou-se a velocidade de propagação da onda (vo).
Com base na velocidade de propagação da onda e da densidade da madeira foi possível determinar o módulo de elasticidade dinâmico (MOEds) no sentido longitudinal do corpo-de-prova (// às fibras), conforme a equação abaixo.
MOEds = Vo2 x D x 10-5
g
MOEds = módulo de elasticidade dinâmico pelo stresswave, N/mm2;
Vo = velocidade de deslocamento da onda;
D = densidade da madeira; kg/m³; g = aceleração da gravidade, 9,804 m/s²; 3.4 Flexão estática
Após a avaliação não destrutiva, os corpos de prova foram ensaiados em flexão estática até a ruptura segundo os procedimentos da norma COPANT, nº 555 de 1973, determinando-se assim módulo de elasticidade (MOE). Para este ensaio foi utilizada uma máquina universal de ensaios Martins Campelo com potência máxima de 60 toneladas.
3.5 Análise estatística
Inicialmente foi feita uma análise estatística descritiva das propriedades estudadas, incluindo os valores médios e os coeficientes de variação.
A seguir, foi feita análise de correlação de Pearson (r) entre as densidades, MOE (Flexão Estática), MOEds (Stresswave) e MOEdu (Ultrassom).
Por fim, foram elaborados os gráficos de dispersão e calculadas as equações lineares e os coeficientes de correlação para os dados de MOE x MOEds e MOE x MOEdu.
4 Resultados finais
A tabela 2 indica os valores médios, máximos, mínimos e os coeficientes de variação da densidade aparente, MOE, MOEdu e MOEds para cada uma das dez espécies.
Tabela 2 - Densidade aparente, módulos de elasticidade dinâmico do ultrassom (MOEdu) e stress wave (MOEds) e módulo de elasticidade estático (MOE) das madeiras estudadas.
Densidade (g/cm³) MOEdu MOEds MOE
Média (MPa) 0,966 19413,163 15090,693 10200,134
CV (%) 11,771 19,521 22,025 18,175
Fonte: Os Autores (2017).
Os valores médios encontrados para as propriedades estudadas são compatíveis com resultados usualmente registrados para madeiras de dicotiledôneas. É possível observar que o valor médio calculado para MOEdu foi 90% maior que o MOE estático, enquanto que o valor médio calculado para MOEds foi cerca de 47% maior que o MOE estático. Estes resultados, apesar de discrepantes entre si, são amparados por diversos autores que observaram que os valores do modulo de elasticidade dinâmico são, em regra, maiores que aqueles obtidos usando flexão estática.
Em estudos envolvendo as técnicas de ultrassom, Karlinasari et al. (2008) constatou que os valores da os módulos de elasticidade dinâmicos foram 9-11% mais altos do que os estáticos para Gmelina arbórea. Miná et al. (2004) avaliando postes de Eucalyptus citriodora, observaram valores até 14% maiores. Oliveira et al. (2002), avaliando Goupia glabra e
Hymenaea sp. obtiveram resultados dinâmicos 17% maiores do que para os estáticos.
Stangerlin et al. (2008) obteve valores dinâmicos até 29% maiores para Eucalyptus
grandis e 37% para a Peltophorum dubium (STANGERLIN et al., 2010). Gonçalez et al.
(2001) obteve valores dinâmicos até 69% maiores que estáticos para a espécie Vataireopsis
speciosa e Ribeiro et al (2013) encontrou valores de constante elástica dinâmica em torno de
78% maior que o MOE para Pinus caribaea e Eucalyptus grandis.
No que diz respeito à relação entre os valores dinâmicos calculados com o uso da técnica de Stresswave e de testes de flexão estática, destacamos:
Medeiros Neto et al, (2016) que ao avaliar as espécies Tectona grandis, Khaya
que o estático para todas as madeiras ensaiadas, com maiores valores para a T. grandis em comparação as espécies de Khaya. De forma similar, Del Mennezzi et al (2010) verificaram que o módulo dinâmico foi maior que o estático para Balfourodendron riedelianum, Cedrela
fissilis, Cordia goeldiana, Bowdichia virgilioides, Dipteryx odorata e Tabebuia sp..
Teles et al. (2011) tiveram a mesma constatação para Sextonia rubra.
Wang et al. (2001), Ouis (2002), Targa et al. (2005), Karlinasari et al. (2008), Medeiros Neto et al. (2016) afirmam que esse comportamento se deve a natureza viscoelástica da madeira que passa simultaneamente por deformações elásticas e viscosas. Oliveira et al. (2003) explicam que quando a força é aplicada com curta duração, o material se comporta como um sólido elástico, enquanto que para uma longa duração o comportamento é igual ao de um líquido viscoso. Esse comportamento é mais proeminente no ensaio de flexão estática, o qual apresenta longa duração se comparado ao ensaio de ultrassom. Em consequência de tal comportamento a constante elástica dinâmica obtida em ensaio de ultrassom é, em geral, maior que o módulo de elasticidade à flexão estática.
Bucur (2003) atribui estes resultados as diferenças entre a frequência de vibração de cada ensaio, sendo esta muito baixa durante os testes de flexão estática e alta nas avaliações feitas por meio de ultrassom. Quanto maior a frequência, maior a velocidade de transmissão da onda e consequentemente o MOE calculado.
Tabela 3 - Correlação de Pearson para Densidade aparente, módulo de elasticidade dinâmico dos ensaios de ultrassom e stress wave e módulo de elasticidade estático.
Densidade MOEds MOEdu MOE Densidade 1
MOEds 0,4588 1
MOEdu 0,5883 0,9392 1
MOE 0,5927 0,9178 0,9335 1
Fonte: Os Autores (2017).
A correlação de Pearson (tabela 3) demonstrou que a correlação entre densidade e os módulos de elasticidade calculados por Stresswave, ultrassom e flexão estática é moderada, sendo mais alta para os resultados obtidos por meio da flexão estática. Por outro lado, existe uma relação muito forte entre MOE e MOEds, MOE e MOEdu e também entre MOEds e MOEdu. O resultado encontrado para a correlação entre MOE e MOEds são muito similares aos encontrados por Teles et al. (2011) e Del Menezzi et al. (2010).
Abaixo se pode observar os gráficos de dispersão e os modelos corrigidos para permitir o uso dos dados não destrutivos preditos para avaliação das madeiras estudadas.
Gráfico 1 - Linha de tendência, equação linear e coeficiente de determinação para a relação entre MOEdu e MOE.
Fonte: Os Autores (2017).
O coeficiente de determinação encontrado (R²) = 0,8713 para a relação entre os módulos de elasticidade obtidos por meio de flexão estática e da técnica ultrassônica está dentro do intervalo encontrado na literatura científica que é de 0,57 a 0,89 (BARTHOLOMEU, 2001; NOGUEIRA e BALLARIN, 2003; OLIVEIRA et al., 2003; OLIVEIRA, 2005; ROSS & PELLERIN, 1991, 1994; GOMES RIBEIRO et al., 2013; CADEMARTORI et al., 2014; CANDIAN e SALLES, 2009).
O valor obtido é altamente significativo permitindo afirmar que os valores calculados pelo método não destrutivo de ultrassom explicam em grande parte o comportamento da madeira submetida ao ensaio de flexão estática e, portanto, pode ser utilizado para avaliar as propriedades mecânicas de madeiras da caatinga.
Gráfico 2 - Linha de tendência, equação linear e coeficiente de determinação para a relação entre MOEds e MOE.
O coeficiente de determinação encontrado (R²) = 0,8423 para a relação entre os módulos de elasticidade obtidos por meio da flexão estática e da técnica de stress wave está dentro do intervalo encontrado na literatura científica que, segundoRavenshorst et al. (2008); Karlinasari et al. (2008); Barrett et al. (2008); Del Menezzi et al. (2010); Teles et al. (2011); Cademartori et al. (2014) e Yang et al., (2017), varia entre 0.63 e 0.93.
O valor obtido é altamente significativo permitindo afirmar que os valores calculados pelo método não destrutivo de stresswave explicam em grande parte o comportamento da madeira submetida ao ensaio de flexão estática e, portanto, é um ótimo estimador das propriedades mecânicas de madeiras da caatinga.
5 Considerações parciais/finais
Foi demonstrado que, para as espécies estudadas, existe uma alta correlação entre as propriedades determinadas por emissão ultrassônica, ondas de tensão e flexão estática, o que indica que estas técnicas não destrutivas podem ser usadas para avaliar peças de madeira com resultados confiáveis.
Entretanto, como existe uma diferença considerável entre os valores obtidos por cada técnica, deve-se utilizar modelos corrigidos para aumentar a confiabilidade dos resultados.
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