Comportamento da linha de cola em madeira laminada
colada (MLC) sob altas temperaturas
Alberto Solera Engracia Degiovani, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São
Paulo, Departamento de Engenharia de Materiais e Manufatura, São Paulo, SP. e-mail: alberto.degiovani@usp.br
Prof Dr Pedro Gutemberg de Alcântara Segundinho, Universidade Federal do Espirito Santo,
Faculdade de Engenharia Industrial Madeireira, Jeronimo Monteiro, ES e mail: p_gutemberg2001@yahoo.com.br
Prof Dr Carlito Calil Junior, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estruturas, São Paulo, SP. e-mail: calil@sc.usp.br
Resumo: O objetivo deste trabalho é analisar a adesão da linha de cola em diversas combinações madeira-adesivo sob altas temperaturas, e a partir dos resultados experimentais conhecer o desempenho da ligação da MLC em situações de incêndio, além de avaliar por meio de comparação entre os resultados experimentais, qual das combinações madeira-adesivo apresenta o melhor desempenho para aplicação estrutural considerando o efeito sob altas temperaturas devido à situação de incêndio. Assim, chegou-se a conclusáo que, dentre as combinações adesivo-madeira analisadas, todas sofrem perda da capacidade da linha de cola ao cisalhamento de, no mínimo, 50% à 200ºC.
Palavras-chave: MLC, temperatura, cola.
Behavior of the glue line in glued-laminated timber at high temperatures
Abstract: The aim of this paper is to analyze the adhesion of the glue line in various combinations wood-adhesive at high temperatures from the experimental results and know the link performance of MLC in fire situations, and evaluate by comparing the experimental results what combinations of wood-adhesive performs best for structural application considering the effect at higher temperatures due to a fire situation. Thus is possible to conclude that among the wood-adhesive combinations analyzed, all suffer loss of the ability to resist shear stresses of at least 50% at 200 º C.
1. Introdução
A Madeira Laminada Colada (MLC) é um produto industrializado que necessita ser testado em condições laboratoriais com a finalidade de avaliar a qualidade da sua produção, dessa forma assegura–se que as propriedades da MLC (resistências à compressão, ao cisalhamento etc.) sejam adequadas com as propriedades mecânicas especificadas no projeto estrutural. A utilização de elementos estruturais em MLC em situação de incêndio requer um estudo experimental de combinações espécie de madeira e adesivo. A norma europeia EUROCODE 5 (2005) trata do uso da MLC em situação de incêndio uma vez que apresenta valores padrão para a taxa de carbonização, tomando como base as densidades da madeira. As normas brasileiras NBR 14432 (2000) e NBR 5628 (1980) abordam aspectos relativos à segurança contra incêndio no que desrespeito aos componentes construtivos e elementos estruturais, respectivamente. A norma brasileira NBR 7190 (1997) tem como meta para as próximas revisões a introdução de critérios que leve em conta a segurança contra incêndio nas estruturas de madeira.
Segundo Frangi et al. (2004) é importante conhecer a perda de resistência da linha de cola com aumento de temperatura, pois a elevação de temperatura ocasiona o fracasso da adesão entre os dois materiais e consequentemente o colapso da estrutura devido a perda de funcionalidade do elemento estrutural. De acordo com Frangi et al. (2004) uma grande perda de resistência ao cisalhamento é observada até a temperatura de aproximadamente 70ºC. Nesta temperatura a resistência ao cisalhamento é cerca de 40% daquela à temperatura ambiente. Na fig. 1 é mostrada a redução ao cisalhamento da linha de colo em MLC para diferentes adesivos ensaiados sob altas temperaturas. Uma menor diminuição da resistência é observada a partir desta temperatura. Além disso, a falha por coesão não acontece à temperatura ambiente, porém, este modo de falha foi observado conforme o aumento de temperatura. Três tipos de falhas podem ocorrer no ensaio de cisalhamento da MLC a altas temperaturas:
1 – Falha pela perda da coesão do adesivo; 2 – Falha da adesão adesivo–madeira; 3 – Falha da madeira fora da linha de cola.
1.1. Justificativa
Os incêndios afetam as construções alterando as propriedades físicas e mecânicas dos materiais estruturais de modo a não responderem as solicitações para as quais foram projetados. Assim, com os avanços tecnológicos e competitividade do mercado torna–se necessária a busca de melhorias no dimensionamento de elementos estruturais de MLC, considerando o grande potencial de produção desses elementos para utilização em edifícios, residências etc.
Nesse aspecto, a contribuição na pesquisa em MLC em situação de incêndio, desperta o interesse, por parte dos pesquisadores da referida área, com relação à obtenção de um maior número de resultados, bem como pelo fato de o tema segurança contar incêndio ser atualmente de grande interesse nos meios técnico e cientifico.
1.2. Objetivos
Analisar o desempenho da linha de cola em diversas combinações adesivo–madeira sob altas temperaturas, e a partir dos resultados experimentais analisar o comportamento da MLC em situações de incêndio.
Avaliar por meio de comparação entre os resultados experimentais, qual das combinações adesivo–madeira apresenta o melhor desempenho para aplicação estrutural considerando o efeito sob altas temperaturas devido à situação de incêndio.
2. Revisão Bibliográfica
No Brasil ainda não existe uma norma específica de qualificação para os fabricantes de MLC e com o promissor mercado, pretende–se introduzir algumas recomendações para a qualificação de produtos de MLC baseadas nas Normas Canadenses (CAN/CSA 0177, 2006), Americana (AITC A190.1, 2007) e Européia EN 386 (2001), com ênfase principal no sistema de controle de qualidade dos materiais empregados na produção de MLC. Este estudo abrange as recomendações dadas pelas mesmas, opta–se por adotar, principalmente, a Norma Americana (AITC A190.1, 2007) por ser a mais completa, por apresentar detalhadamente os métodos de ensaios dos materiais e, porque, a proposta de revisão da NBR 7190 (1997) referente a MLC, apresenta suas recomendações de materiais e cálculo estrutural baseados nesta norma.
A Norma Canadense (CAN/CSA 0177, 2006) em vigor a partir de 6 de fevereiro de 2006, intitulada “Qualification Code for Manufactures of Structural Glued Lamelated Timber” apresenta: abrangência da norma, referências normativas, definições, certificação, pessoal e equipamentos, controle de qualidade, fabricação, manuais necessários e ensaios de qualificação. Em seu item 6, a norma descreve a organização do controle de qualidade com ênfase em medidas, tipos de equipamentos e respectivas precisões requeridas para o controle de qualidade, registros necessários e experiência do pessoal envolvido no sistema. Alguns métodos de ensaios propostos para a qualificação são baseados na norma americana. Os ensaios de qualificação recomendados são os mesmos da (AITC A190.1, 2007), ou seja: testes de cisalhamento, delaminação cíclica, adesivos e juntas de topo (permite ensaios de flexão ou de tração).
particularidades dessa norma em relação à (AITC A190.1, 2007) referentes ao controle de qualidade são:
a) Espécies de madeira usadas e recomendadas para MLC: European whitewood (Picea abies, Abies alba); European redwood (Pinus sylvestris); Douglas fir (Pseudotsuga menzuesii). Relata ainda que as seguintes espécies tenham sido utilizadas para a fabricação de MLC: Hemlock (Tsuga heterophylla), Corsican Pine and Austrian black pine (Pinus nigra); Larch (Larix decidua); Maritime Pine (Pinus pinaster); Poplar (Populus robusta, Populus alba); Radiata Pine (Pinus radiata); Sitka spruce (Picea sitchensis); Western red cedar (Thuja plicata);
b) Espessura das lamelas menor ou igual a 45 mm;
c) Emendas de topo: adotar o ensaio de flexão de viga e não o de tração na lamela; d) Documentação: Manual de qualidade de produção deve conter informações da estrutura organizacional do sistema de controle de qualidade utilizado, procedimentos para especificação e verificação do controle de qualidade da madeira e do adesivo, controle de produção, processos de ações sistemáticas a serem usadas, inspeções e ensaios a serem realizados antes, durante e após a produção e, frequências com que os procedimentos são conduzidos. A documentação deve ser guardada por 10 anos;
e) A instalação, equipamentos, pessoal e manuais devem estar disponíveis para as inspeções e ensaios periódicos não programados pelas agências de inspeção credenciadas. 2.1 A madeira em situação de incêndio
A madeira, quando é submetida a uma situação de incêndio, irá queimar. Porém, tanto a madeira quanto o carvão oriundo da combustão da primeira são isolantes térmicos e retardam o fluxo de calor para o interior da seção, abrandando a velocidade da degradação térmica e retardando o avanço da frente de carbonização. Dessa forma, quando submetidos ao fogo, os elementos estruturais de madeira exibem em seus interiores, após a camada carbonizada, uma estreita camada aquecida, cujas propriedades mecânicas são afetadas pelo calor, e um núcleo inalterado.
Segundo White (2002), a resistência ao fogo de um elemento ou estrutura de madeira depende da existência de uma camada protetora ou espessura da camada carbonizada da madeira e das dimensões da seção residual, as quais dependem da taxa de carbonização da espécie de madeira usada.
2.3 Controle de qualidade em MLC
O sistema de controle de qualidade é definido pelas ações realizadas por um fabricante em relação aos materiais, métodos, equipamentos, mão–de–obra e produto final, para satisfazer os requisitos necessários de uma norma de controle de qualidade (AITC T115, 2004).
A Madeira Laminada Colada (MLC) é um produto engenheirado de madeira que requer precisão de fabricação em todos os seus estágios. O produto acabado pode somente ser testado em condições laboratoriais, entretanto, é necessário o controle de qualidade na produção para assegurar que as propriedades da MLC sejam adequadas com as resistências especificadas para o material de acordo com as normas vigentes (CAN/CSA 0177, 2006).
Nos Estados Unidos, o American Institute of Timber Construction (AITC) é a instituição reconhecida para realizar o programa de controle de qualidade da madeira estrutural (AITC TN10, 2005). Um programa de qualidade conta com vários especialistas que entendem da importância do processo de certificação para conseguir a confiança do consumidor e a qualidade final do produto.
produção; e inspeção constante durante o processo de produção. Destaca–se que todas essas atividades devem ser auditadas e verificadas por inspetores credenciados.
Portanto, é necessário estabelecer os requisitos do controle de qualidade para a fabricação de elementos estruturas de MLC e, assim, criar os subsídios necessários para a certificação dos materiais e da montagem de elementos estruturais de MLC certificados. 2.4. Madeira de Teca
A Teca (Tectona grandis L.F.), espécie amplamente empregada em reflorestamentos em várias partes do mundo, objetiva principalmente a produção de madeira para serraria. O cultivo desta espécie começou a ganhar importância no século 18, quando os britânicos demandavam grandes quantidades de madeira para construir as embarcações, iniciando–se neste período os plantios na Índia. Sendo uma espécie natural das florestas tropicais de monção do Sudeste Asiático (Índia, Myanmar, Tailândia e Laos), a Teca tem se destacado como uma boa alternativa financeira para produção de madeira em plantios racionais nos trópicos (Somarriba et al., 1999).
No Brasil, atualmente, os reflorestamentos de Teca presentes na Amazônia Ocidental são realizados pelas empresas madeireiras que exploram a floresta nativa, a qual na maioria das vezes transformar–se–á em pastagens cultivadas para criação de bovinos. A preocupação principal das empresas madeireiras é atender à legislação florestal referente à reposição florestal obrigatória. Como exemplo, tem–se o Estado do Acre que apresenta regiões com condições satisfatórias para implantação de reflorestamentos puros de Teca, apenas com restrições bioclimáticas nas bacias hidrográficas dos Rios Juruá, Tarauacá e afluentes da margem esquerda do Rio Envira.
2.5. Madeira de Pinus Oocarpa
Na década de 1970, o governo brasileiro incentivou os reflorestamentos, e com isso grandes áreas foram utilizadas para a plantação de espécies de Eucalyptus e Pinus, entre estes o Pinus Oocarpa. A maioria dos reflorestamentos se localizou no Cerrado brasileiro, que compõe aproximadamente 25% do território nacional, por causa do preço da terra naquela época. Porém, reflorestamentos situados em Angatuba, SP, e outras regiões alcançaram rendimentos surpreendentes (MOURA et al., 1998).
2.6. Madeira de Lyptus®
O Lyptus® é uma madeira nobre, totalmente extraída de florestas renováveis a partir de árvores plantadas, o que assegura um suprimento confiável e ambientalmente sustentável. Essa é uma das suas principais vantagens em relação às madeiras nobres tradicionais, como o mogno, o jacarandá, o marfim e a imbuia. Além de ser ecologicamente correta, a madeira Lyptus® é desenvolvida com o cruzamento de árvores selecionadas, que lhe conferem mais versatilidade, durabilidade e beleza.
3. Materiais e Métodos
3.1. Madeira de Teca
3.2. Madeira de Pinus Oocarpa
As peças de madeira de Pinus Oocarpa foram entregues com dimensões nominais (4 x 10 x 215 cm) e (4 x 10 x 250 cm). Tais peças de madeira foram classificadas visualmente em classes para serem utilizadas na fabricação das vigas de MLC. As dimensões das lamelas das vigas de MLC são (3 x 9 x 200 cm) e o critério de classificação visual tomou como base espessura e largura.
3.3. Madeira de Lyptus®
A madeira Lyptus® foi adquirida na classe “Number # 1 common” que é padrão da NHLA (National Hardwood Lumber Association). Antes da classificação visual e do ensaio de vibração transversal das peças de madeira de Lyptus® foram beneficiadas com largura padrão de 10 cm. Estas peças foram entregues com 32 mm de espessura e comprimento variável de 2,13 – 7,5 m.
3.4. Processo de fabricação das vigas de MLC
Este item apresenta as atividades referentes à fabricação das vigas de MLC. Na fig. 2 são apresentados os tipos de vigas de MLC, definiu–se que as mesmas serão compostas por três lamelas, levando em conta o tipo de madeira e a distribuição das lamelas a fim de dispor aquelas que apresentam melhores resultados na classificação visual e mecânica nas regiões mais solicitadas, isto é, partes externas onde estão a lamela superior (LS) e a lamela inferior (LI). A lamela central (LC) não precisa apresentar resultados elevados de módulo de elasticidade (MOE), mas é necessário que seja classificada visualmente.
Figura 2 – Secção transversal das vigas de MLC com diferentes tipos de madeira.
Figura 3 – Diagrama para fabricação das vigas de MLC.
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Madeira Teca Adesivo RFF Adesivo PUR Vigas de MLC Madeira Pinus Oocarpa Adesivo RFF Adesivo MUF Madeira Lyptus® Adesivo RFF
Figura 4 – Planejamento para fabricação das vigas de MLC.
O processo de classificação visual foi realizado por meio do Anexo G – Classificação visual de madeira serrada de Coníferas ”revisão da“ NBR 7190 – Projeto de Estruturas de madeira (Projeto CE–02:126.10). A seguir é apresentado nas Figuras 5 a 7 os critérios da classificação visual da madeira Pinus Oocarpa. Estes mesmos critérios de classificação repetem–se para as demais espécies de madeira de reflorestamento, Teca e Lyptus®.
Quanto à medula:
Não foi permitida medula com largura superior a 1,5cm tomando como base a peça aparelhada na viga de MLC.
Quanto aos nós:
Figura 5 – Dois nós na mesma seção.
Quanto aos nós:
Não foram permitidos nós que abrangesse toda a seção lateral da peça de madeira, fig.6.
Figura 6 – Nós na borda lateral da peça.
Dimensões permitidas para os nós:
A proporção da área da seção transversal ocupada por um nó, ou por um conjunto destes, não deve em hipótese alguma ultrapassar os limites estabelecidos na tab. 1. Na fig. 7 é mostrado o gabarito utilizado para tonar ágil à classificação visual.
Tabela 1 – Limites relativos à proporção da área da seção transversal ocupada pelo nó nas peças de madeira de Pinus Oocarpa
Posição dos nós (Classes) SS S1 S2 S3 Face estreita e borda da face
larga 20 % 25 % 33 % 50 %
Figura 7 – Gabarito para classificação das peças de madeira de Pinus Oocarpa.
Quanto ao fendilhamento:
Não foram permitidos fendas com profundidade superiores a 1,0cm nas peças de madeira, para que não fosse comprometida a espessura de 3,0cm das lamelas das vigas de MLC.
Quanto a rachaduras:
Não foram permitidas peças com rachaduras que comprometesse o comprimento de 2,0 m das vigas de MLC.
Esmoado:
Não foram permitidas peças de madeira com esmoado maior do que 1cm, somado os dois lados, caso necessário, para que não fosse comprometido a largura de 9,0cm da viga de MLC.
Figura 8 – Classificação mecânica das peças de madeira
3.5. Montagem das vigas de MLC
Nas figs. 9 à 16 é apresentado o processo de fabricação das vigas de MLC da espécie de reflorestamento Teca, coladas com o adesivo bicomponente à base de Resorcina Fenol Formaldeído (RFF), comercialmente conhecido como resina Cascophen RS–216 M e preparado junto com Endurecedor FM60M. Os dois componentes, depois de misturados, resultam em um adesivo de alto desempenho, à prova d’água (fria ou fervente), resistente a diversos solventes orgânicos, fungos e às intempéries. O mesmo processo de fabricação das vigas de MLC com esse tipo de adesivo é repetido para as espécies de madeira de reflorestamento. Também tem–se a fabricação das vigas de MLC a partir do adesivo mono–componente (sem mistura) à base de Poliuretano (PUR), comercialmente conhecido como Purbond HB S309, contendo 100% sólidos (não contém solvente). Esse adesivo, em específico, tem um tempo de aplicação de 30min e tempo de cura de 75min. No processo de fabricação das vigas de MLC com esse adesivo repetem–se praticamente as mesmas etapas apresentadas nas figs. 9 à 16.
A gramatura da linha de cola utilizada para os dois adesivos na fabricação das vigas de MLC das espécies de madeira de Teca, Pinus Oocarpa e Lyptus® está situada na faixa de 300 a 350g.m-2, um pouco acima das recomendações para aplicação em escala industrial, onde estes adesivos são aplicados por meio de máquinas. Como a aplicação no laboratório é feita manualmente com pincéis, optou–se por aumentar a gramatura da linha de cola.
Figura 9 – Processamento das lamelas de Teca.
Figura 10 – Preparação do adesivo (RFF).
Figura 12 – Aplicação do adesivo nas lamelas e montagem das vigas de MLC.
Figura 13 – Colocação das vigas de MLC para serem prensadas automaticamente.
Figura 15 – Prensagem automática das vigas de MLC.
Figura 16 – Vigas de MLC disponíveis para serem retirados os corpos de prova.
4. Metodologia
O aquecimento dos corpos de prova foi realizado no forno vertical, modelo FL 1300/60, com capacidade para 60l, aquecimento por radiação direta, resistência 220V, trifásico, figs. 18 e 19. O aquecimento do forno foi realizado em determinadas taxas temperatura, fig. 18, com controle de elevação que permita a uniformização da temperatura nos corpo de prova até o tempo de exposição necessário para se atingir a temperatura pretendida para o ensaio, figs. 20 e 21. Em seguida foram preparados e submetidos aos ensaios de cisalhamento da linha de cola nas diversas temperaturas. Na fig. 18 é apresentado o planejamento dos ensaios dos corpos de prova de MLC para uma espécie de madeira e o respectivo adesivo, tal planejamento foi repetido nas três espécies de madeira junto com o respectivo adesivo, totalizando aproximadamente 150 corpos de prova.
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0 0 0 0 0 0Temperatura ambiente 21,5 C 5 CPs
40 C 5 CPs
80 C 5 CPs
Corpos de prova Vigas de MLC
120 C 5 CPs
160 C 5 CPs
200 C 5 CPs
Figura 18 – Planejamento de retirada dos corpos de prova a partir das vigas de MLC.
Figura 20 – Corpos de prova de MLC na máquina de ensaio.
Figura 21 – Máquina de ensaio utilizada os corpos de prova de MLC.
5. Resultados e discussões
Oocarpa com três tipos adesivos porque trata-se da madeira mais utilizada na fabricação de MLC.
Tabela 2 – Resistência ao cisalhamento Pinus Oocarpa (PUR)
Pinus-PUR Ambiente 40°C 80°C 120°C 160°C 200°C CP 1 4906,34 4559,08 3512,32 2899,48 2161,70 2036,23 CP 2 5429,33 4247,99 3942,23 2865,49 2472,53 1973,82 CP 3 5246,06 4736,43 3622,29 2941,41 2776,02 2017,96 CP 4 5450,65 4606,82 3419,62 3454,38 2729,85 1727,86 CP 5 5446,02 4605,22 3579,96 3251,71 2322,93 1928,90 Média (kN/m2) 5295,68 4551,11 3615,28 3082,49 2492,61 1936,95 Relação 1,00 0,86 0,68 0,58 0,47 0,37 CV 3,9 3,6 4,9 7,5 9,4 5,7
Tabela 3 – Resistência ao cisalhamento Pinus Oocarpa (RFF)
Pinus-RFF Ambiente 40°C 80°C 120°C 160°C 200°C CP 1 6169,39 5769,21 5084,13 3822,25 3410,67 3215,16 CP 2 5834,12 5115,64 4748,02 3738,45 3571,46 3000,66 CP 3 6303,35 5679,37 4507,50 3836,35 3422,30 3068,17 CP 4 6004,96 5536,47 4807,55 4427,15 3431,22 3164,57 CP 5 6330,25 5600,54 4807,03 4106,80 3628,16 2801,08 Média (kN/m2) 6128,42 5540,25 4790,85 3986,20 3492,76 3049,93 Relação 1,00 0,90 0,78 0,65 0,57 0,50 CV 3,1 4,1 3,8 6,3 2,6 4,8
Tabela 4 – Resistência ao cisalhamento Pinus Oocarpa (MUF)
Pinus-MUF Ambiente 40°C 80°C 120°C 160°C 200°C CP 1 6160,46 6208,76 5229,53 4202,65 3287,43 1877,86 CP 2 6370,21 6148,97 5798,28 4948,46 3999,57 2508,65 CP 3 6957,22 5740,15 4981,70 4842,55 3576,16 2574,06 CP 4 6395,36 6225,13 5509,32 4711,54 3555,86 2473,97 CP 5 6465,40 5850,13 5210,84 4571,24 3157,98 2473,74 Média (kN/m2) 6469,73 6034,63 5345,93 4655,29 3515,40 2381,66 Relação 1,00 0,93 0,83 0,72 0,54 0,37 CV 4,1 3,3 5,3 5,6 8,2 10,7
Tabela 5 – Resistência ao cisalhamento Teca (RFF)
Tabela 6 – Resistência ao cisalhamento Lyptus® (RFF) Lyptus-RFF Ambiente 40°C 80°C 120°C 160°C 200°C CP 1 6318,77 6150,25 3777,27 3396,94 3614,64 3297,63 CP 2 4795,95 4380,12 4487,31 4378,15 2677,81 2047,28 CP 3 4486,34 4978,48 3682,60 4409,27 3319,65 2408,74 CP 4 5835,33 5014,64 5179,27 3950,38 3052,91 3321,44 CP 5 6966,42 4589,17 4765,76 3970,62 3560,83 2881,78 Média (kN/m2) 5680,56 5022,53 4378,44 4021,07 3245,17 2791,37 Relação 1,00 0,88 0,77 0,71 0,57 0,49 CV 16,3 12,2 13,1 9,1 10,7 17,9
A partir dos valores médios apresentados nas tabs. 2 à 6 foi elaborado o gráfico mostrado na fig. 22.
Figura 22 – Resistência ao cisalhamento de diversas combinações adesivo-madeira.
A perda de resistência ao cisalhamento da linha de cola devido ao aumento de temperatura ocorreu de forma linear, tal como a regressão apresentada na Figura 22. A correlação em todos os casos encontra-se com valores superiores a 0,97.
6. Considerações finais
A partir dos resultados apresentados nas tabs. 2 à 6 observa-se que a capacidade de resistência da linha de cola ao cisalhamento na temperatura de 200ºC equivale à, no máximo, 50% da resistência na temperatura ambiente.
mesma espécie de madeira, Pinus Oocarpa, há praticamente a mesma perda de resistência. As falhas foram predominantemente devido a falta de coesão do adesivo e adesivo-madeira.
7. Referências
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