fbpx 260711774397346
Engenharia

Edificações – Madeira

By 20 de novembro de 2018 No Comments

O desenvolvimento tecnológico mundial da madeira como material estrutural cresceu substancialmente nas últimas décadas, aumentando a industrialização das construções em madeira, além do surgimento de novos produtos a base de madeira, tais como o MDF (medium density fibreboard) e o OSB (oriented strand board).

A madeira como material estrutural normalmente se encontra em diferentes formas tais como: madeira em tora; madeira serrada; madeira laminada colada; madeira compensada e madeiras reconstituídas. O comportamento estrutural desses diferentes tipos de madeira está relacionado com o arranjo da estrutura interna, que dependendo da forma final do produto resulta em maior ou menor grau de anisotropia. Normalmente, as madeiras reconstituídas têm propriedades isotrópicas o que garante seu excelente desempenho estrutural, diversificando seu emprego nas construções. Portanto, sua aplicação como material estrutural exige um domínio do conhecimento da estrutura interna dos diferentes tipos de madeira para orientar as técnicas de detalhamento das ligações e de regiões especiais das estruturas, garantindo-se a segurança e durabilidade das construções de madeira.

Neste capítulo apresenta-se informações básicas para o dimensionamento de estruturas de madeira, descrevendo aspectos importantes da estrutura interna da madeira e suas propriedades estruturais, assim como as relações de interdependência dessas propriedades com as ações, para os critérios usuais de combinação, levando-se em conta as características intrínsecas de seu comportamento estrutural. Em seguida são apresentados exemplos de dimensionamento básico das peças de madeira com objetivo de difundir a aplicação dos atuais critérios de dimensionamento da NBR 7190/1997.

 

1. Propriedades estruturais da madeira

a. Propriedades a considerar

i.Estrutura interna

A madeira é um material originário do tecido vegetal com características intrínsecas definidas pela fisiologia da árvore. A formação da estrutura interna da madeira pode ser considerada como um sistema de tubiforme que transportam tanto a seiva bruta (da raiz até as folhas) quanto à seiva elaborada (das folhas para o tronco – após a fotossíntese), irrigando radialmente o tronco, tal como esquematizado na Figura 1. A fisiologia da árvore define um sistema vascular orientado na direção vertical (longitudinal) e radial ao tronco, formada por elementos “tubulares” denominados de fibras (traqueídes) esquematizados na Figura 2. Esses elementos são estruturas macroscópicas, com dimensões da ordem de milímetros, podendo alcançar até 3,5 mm (caso do eucalipto). Esses elementos tubulares são estruturados por fios de celulose de alta resistência espiralados e “cementados” por uma matriz de lignina (extrativos), formando assim uma estrutura tubular preferencialmente nas direções longitudinal e radial ao tronco tal como esquematizada na Figura 3. Durante o crescimento da árvore esses tecidos vão se superpondo em forma de cones, com maior atividade durante as estações quentes (principalmente no verão) e menor intensidade nas estações frias (principalmente no inverno), quando há menor intensidade solar e poucas chuvas. Assim as camadas de verão são de maior espessuras e de tonalidades claras e as camadas de inverno são de menor espessuras e com tonalidade escurecidas, denominadas de anéis de crescimento. Portanto, os anéis de crescimento são formados por colorações dos tecidos, não resultando em uma estrutura resistente da madeira, apenas uma coloração anelar na seção da peça que ajuda a identificar as superfícies de clivagem da estrutura interna da madeira.

A estrutura interna da madeira desenvolvida durante o crescimento da árvore é um eficiente sistema de vascular que pode transferir para a atmosfera até 400 litros de água em um dia quente de verão (referencia a uma árvore adulta de eucalipto), onde normalmente encontra-se uma massa de água 5 vezes maior que a massa de madeira seca (tecidos) (500% de umidade), dado por: U(%)=(mi-ms)/ms; sendo mi a massa inicial de madeira mais água e ms é a massa da madeira seca em temperatura de 1030C, até que a massa do corpo se torne constante. Esse sistema vascular permanece ativo parcialmente após o abate da árvore (corte da tora), levando, em poucas horas após o abate, a uma rápida redução de água para duas (2) vezes a massa de água relativa à massa de madeira seca (ms).

Esse processo de secagem natural da madeira naturalmente continua a se desenvolver durante as fases de transporte, desdobro e aparelhamento decrescendo a valores de umidade da ordem de 100 % a 30 % num período de até 3 meses. A secagem natural continuará a se desenvolver até chegar a umidade de equilíbrio com o ar ambiente, que leva no mínimo um ano de duração e atinge valores de 18%, caso da cidade de São Paulo. A extração da água da madeira, para teores de umidade abaixo de 30%, em pouco tempo exige procedimentos de secagem aqui denominados de secagem artificial da madeira. Ademais, a extração dessa água resulta em movimentações significativas da estrutura interna, provocando retrações em planos preferenciais orientados pela estrutura interna do sistema vascular.

A extração da água da madeira poderá provocar mudanças importantes na microestrutura que normalmente leva retrações exageradas podendo atingir fraturamento da estrutura interna, denominados de defeitos de secagem, sendo o mais comum o fendilhamento dos troncos ou das peças de madeira maciça (serradas ou falquejadas). Essas retrações são orientadas preferencialmente pelo sistema vascular definidos pelas as fibras, que se desenvolvem em função do tipo de corte que é realizado na fase de desdobro da madeira. figura 5.

A saída de água da madeira resulta na retração das paredes das fibras, aumentando sua compacidade que leva a um aumento tanto na resistência quanto na rigidez do material. Esse fenômeno tem sua intensidade aumentada rapidamente quando o teor de umidade é reduzido abaixo de 25%, até valores próximos de 5%.

Esse fenômeno na presença do aumento de temperatura aumenta a resistência mecânica da madeira chegando a dobrar seu valor de umidade de referência (12%) em temperaturas acima de 200 graus Celsius, ALMEIDA (revista TECHNE 1994), tornando a madeira um material com excelente desempenho em situações de incêndio, pois retarda ao máximo o colapso da estrutura, figura 6. O retardamento do colapso é devido o aumento da resistência, em função do aumento da temperatura, ser maior que a perda de resistência da seção pelo avanço da queima pelo fogo. Esse fenômeno ocorre até um tempo limite, necessário para que ocorra a evacuação da edificação, que normalmente é 1 hora de duração.

A investigação do efeito da temperatura na madeira e no concreto foi realizada com os corpos-de-prova da figura 6a e os resultados estão nos diagramas das figuras 6b e 6c. Nessa investigação os corpos-de-prova foram expostos durante 1 hora a uma temperatura mantida constante e em seguida são realizados ensaios de compressão.

 

ii. Umidade

A madeira como material estrutural é considerada como material homogêneo e suas propriedades são determinadas para uma condição-padrão de referência, com teor de umidade de 12%. Para aplicações em ambiente que levem a outros teores de umidade, todas as propriedades físicas da madeira devem ser corrigidas com equações que contemplem outras situações de uso do material.

Para o projeto de estruturas de madeira deve-se considerar a influência da umidade nas propriedades de resistência e rigidez foram definidas as classes de umidade. Nessas classes o teor de umidade da madeira é uma função da umidade relativa do ambiente Uamb, em seu valor médio anual, mostrado na tabela 1, correspondente a atual Tabela 7 da NBR 7190/97 – Classes de umidade.

A correção das propriedades de resistência e rigidez devida ao teor de umidade, para valores de projeto, será considerada por coeficientes de modificação kmod definidos a seguir.

iii. Densidade

A densidade da madeira será definida a partir da hipótese de material homogêneo como sendo a relação entre a massa específica e o volume correspondente, ambas as grandezas medidas no mesmo teor de umidade. Para emprego em projeto de estruturas a densidade foi denominada de densidade aparente ρaparente(U) = m(U) / V(U) e especificada para a condição-padrão de referencia de U = 12% de teor de umidade, para cada classe de resistência da madeira publicada a seguir.

Além da densidade aparente é usual também a densidade básica ρbasica da madeira definida pela relação entre a massa seca da madeira (ms) e o volume saturado (Vsaturado) que é uma grandeza de fácil determinação, mas não empregada diretamente em projeto de estruturas (ρbasica = ms / Vsaturado).

v. Rigidez

A madeira serrada apresenta três (3) planos de simetria elástica preferências, orientados nas direções longitudinal (1), radial (2) e tangencial (3), caracterizando-se assim o modelo ortótropo. A representação da rigidez da madeira no modelo ortótropo exige a determinação de nove (9) coeficientes elásticos independentes representados pela equação 1 e em valores de engenharia pela matriz da figura 7. Todos esses valores podem ser determinados por ensaios uniaxiais de blocos de madeira serrada tal como demonstrado por ALMEIDA, P. A. 0, 1990.

onde Ei são os módulos de elasticidade nas direções 1, 2 e 3, correspondentes as direções longitudinal (1), radial (2) e tangencial (3). Os νij , Gij são os coeficientes de Poisson e os módulos de elasticidade transversais para os plano 1-2, 2-3 e 3-1, respectivamente. Esses planos estão representados pelo desenho  esquemático da figura 8.

 

Para o projeto de estruturas de madeira a rigidez normalmente será considerada apenas em relação às direções paralela e normal ao feixe de fibras, sem levar em conta a rigidez na direção tangencial. Portanto, emprega-se um valor médio que represente a variação entre as direções radial e tangencial. A relação simplificada entre os módulos de elasticidade na direção normal e paralela as fibras é dada pela expressão:

onde Ew90 é o modulo de elasticidade na direção normal ás fibras (α = 90 graus) e Ew0 é o módulo de elasticidade na direção paralela as fibras (α = 0 grau).

A influência da umidade na rigidez da madeira para valores de projeto será considerada por coeficientes de modificação kmod definidos a seguir.

vi. Resistência

Em razão do caráter anisotrópico da madeira, as resistências da madeira podem ser representadas em modelo ortótropo, entretanto para aplicação em projeto a resistência da madeira será representada de modo simplificado, tomando-se como referência a orientação do feixe de fibras, na direção paralela às fibras α = 0 grau e normal às fibras α = 90 graus. Assim as resistências são apresentadas em valores relativos entre elas tal como especificada na tabela 2 a seguir, onde ftα,k corresponde a resistência a tração paralela as fibras inclinadas de α = 0 grau ou α = 90 graus, em valor característico; fcα,k corresponde a resistência a compressão paralela as fibras (α = 0 grau) ou inclinadas as fibras (α = 90 graus), em valor característico (k).

b. Classes de resistência

A madeira como material estrutural normalmente é considerada em quatro tipos: madeira serrada; madeira laminada colada; madeira compensada e madeira recomposta.

Para o projeto de estruturas de madeira, as propriedades estruturais da madeira serrada estão relacionadas nas tabelas 3 e 4 “Classes de Resistência das madeiras coníferas e Dicotiledôneas (aqui denominadas de folhosas). Os valores das propriedades estruturais dessas tabelas têm como objetivo a padronização das propriedades das mais de 500 espécies de madeiras catalogadas no Brasil, orientando a escolha da madeira para estruturas apenas pela propriedade de referencia que é a “resistência a compressão paralela às fibras fc0k”, em seu valor característico (k). Essa tabela é resultado de um sistemático estudo estatístico realizado por pesquisadores da EP-USP e EESC-USP para a NBR 7190/1997.

Os efeitos da umidade nas propriedades de resistência e rigidez da madeira para efeitos de projeto de estruturas são considerados por meio do coeficiente de modificação kmod definidos a seguir.

Para a estimativa da resistência característica da madeira de um lote, com volume não maior que 12 m3, deve-se extrair pelo menos 6 exemplares para madeiras conhecidas ou 12 exemplares para madeira pouco conhecidas. A resistência característica da madeira será obtida a partir de um estimador de valores característicos expressado por:

 

onde os resultados dos ensaios da amostra devem ser colocados em ordem crescente f1≤f2 ≤ … ≤ fn, desprezando-se o valor mais alto se o número de corpos-de-prova for ímpar, não se tomando para fwk valor inferior a f1, nem a 0,7* fm do valor médio.

Os ensaios podem ser realizados em corpos-de-prova com teor de umidade diferentes de 12%, que é a condição-padrão de referência, para em seguida serem corrigidos pela expressão:

 

onde f12 é a resistência da madeira na condição-padrão de referência a 12% de umidade e fU% é a resistência medida diretamente do ensaio com teor de umidade diferente de 12%. Essa expressão tem validade para teores de umidade entre 10% ≤ U% ≤ 20%. No caso de valores maiores que 20%, considerar na expressão U=20%, pois a variação não é significativa.

Essa mesma expressão de correção de valores para a condição-padrão de referência também pode ser empregada para a correção da rigidez medida experimentalmente em corpos-de-prova com teores diferentes de 12%. Para isso, deve-se empregar a expressão dada por:

onde E12 é o valor médio do módulo de elasticidade a compressão paralela às fibras, determinado experimentalmente em corpos-de-prova com teores diferentes da condição padrão de referência 12%.

Para efeito de projeto, considera-se desprezível a influência da temperatura na faixa usual de utilização de 100 C a 600 C.

c. Valores representativos das propriedades estruturais da madeira

i. Valores de cálculo das resistências

O valor de cálculo Xd é determinado a partir do valor característico Xk,inf , aqui denominado de Xd , dado pela equação 6:

onde kmod é o coeficiente de modificação das resistências, resultante do produto de kmod1*kmod2*kmode3 , que leva em consideração a modificação da resistência característica devida a duração do carregamento, teor de umidade diferente da condição-padrão de referencia para projeto e a qualidade da madeira (primeira ou segunda categoria), respectivamente. O γw é o coeficiente de minoração das resistências resultantes do produto de γm1 * γm2* γm3 , que considera a variabilidade intrínseca da madeira do lote considerado, as usuais diferenças anatômicas aleatórias existentes entre as madeiras empregadas na fabricação dos corpos-de-prova e da estrutura, e outras reduções das resistências efetivas em relação as resistências teóricas consideradas no projeto, respectivamente. Os valores usuais de γw estão relacionados na tabela 5 a seguir.

Para efeito de estados limites de utilização ou de serviço, considera-se γw = 1,0.

Os valores de kmod1 , que levam em consideração a duração do carregamento estão relacionados na tabela 6 a seguir.

Os valores de kmod2 , modificam a resistência especificada nas classes de resistência, para emprego em ambientes onde o teor de umidade é diferente da condição-padrão de referencia estão relacionados na tabela 7 a seguir.

Para o caso da madeira submersa, considera-se o valor de kmod2 = 0,65.

A qualidade da madeira é considerada no projeto como de primeira categoria, para peças isentas de defeitos, com kmod3 = 1,0 e peças de segunda categoria, onde se admite pequenos defeitos, com kmod3 = 0,8.

      1. Valores efetivos das propriedades de rigidez da madeira

A rigidez da madeira a ser considerada no projeto das estruturas de madeira também deve ser modificada para se levar em conta os efeitos deletérios da duração do carregamento, da umidade e da qualidade da madeira a ser considerada na construção. Para efeito de projeto a determinação da rigidez efetiva Ec0,ef, é dada pela modificação do valor médio dada pela equação:

onde Ec0,m é o valor médio do módulo de elasticidade obtido da tabela das classes de resistência, para a condição-padrão de referência.

Considerando a característica anisotrópica da madeira, o módulo de elasticidade transversal, para efeito de projeto, pode ser determinado pela equação:

onde Gef é o módulo de elasticidade transversal obtido a partir do módulo de elasticidade na direção paralela às fibras da madeira, em valores efetivos, onde já se consideram os respectivos efeitos deletérios da duração do carregamento, da umidade e do tipo de material a ser considerado na construção.

Assim, a resistência de cálculo poderá ser estimada para a avaliação de segurança em Estados Limites Últimos a partir da consideração dos valores dos kmod para cada tipo de carregamento a ser considerado na vida útil da estrutura, atendendo as situações de projeto em questão.

3. Ações

a. Situações de projeto

i. Classificação das ações e durabilidade das construções

De modo geral as propriedades da madeira são dependentes da natureza e da intensidade das ações atuantes durante a vida em serviço, que exige uma abordagem adequada dos conceitos da Teoria de Segurança, apresentados a seguir.

Os carregamentos resultam da combinação de ações que agem nas estruturas durante um tempo de referencia a ser considerado no projeto. Normalmente, essas ações são denominadas de permanentes G, que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média, durante praticamente toda a vida da construção; ações variáveis Q, que ocorrem com variações significativas durante a vida da construção e ações excepcionais Qexp, que agem com duração extremamente curta e com baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção. A variação temporal dessas ações pode ser esquematizada no diagrama da figura 9.

Além das considerações das ações em relação aos estados limites últimos também se deve levar em conta as ações que ocorrem frequentemente nas estruturas e resultam em um dano acumulado durante a vida útil. Esse fenômeno, no caso da madeira, pode decorrer de uma rápida degradação do material por meios mecânicos (abrasão), por agentes químicos (produtos que degradem a estrutura da madeira) ou por organismos xylófagos (insetos). Esse fenômeno pode também ser acelerado na presença de uma ação excepcional que modifique a inclinação da curva de dano acumulado da estrutura, seja por perda de rigidez de certas regiões especiais, ou até mesmo pela fadiga das ligações mecânicas da madeira. Normalmente, os efeitos do dano acumulado levam a estrutura a emitir sinais que exijam a interdição da obra para reparo ou substituição de partes, tal como esquematizado na figura 9.

Neste caso, o efeito acumulativo da ações pode ser contemplado pela atribuição do tempo de referencia a ser considerado no projeto de uma estrutura nova ou no diagnóstico de uma estrutura existente, tornando-se assim uma variável importante a avaliação de segurança da estrutura, contemplando os riscos a vida humana assim como os risco econômicos correspondentes. Assim as tabelas 8, 9 e 10 contem uma relação de estruturas e de elementos estruturais com seus respectivos períodos de referência. Na tabela 8 encontram-se valores estabelecidos pelo CEB, 1980. Nas tabela 9 e 10 são encontrados valores de referencia condensados da prática, com exemplos dos tipos de estruturas, RATAY, 2005.

A natureza da madeira exige uma especial atenção a combinação das ações e da observância da duração permanente ou acumulada das ações, o que permitirá a estimativa mais adequada das propriedades de rigidez e resistência até o final da vida útil considerada no projeto. A seguir são empregadas as três situações definidas pela norma de ações e segurança para o projeto de estruturas.

ii. Situações duradouras

As situações duradouras são as que podem ter duração igual ao período de referência da estrutura. Nessas situações a segurança em relação aos estados limites últimos leva em consideração apenas as combinações últimas normais de carregamento.

iii. Situações transitórias

São as situações que têm uma duração muito menor que o período de vida da construção, normalmente consideradas apenas para estados limites últimos, para estruturas de construções que podem estar sujeitas a algum carregamento especial.

Em casos especiais, pode-se exigir a verificação da segurança em relação a estados limites de utilização, considerando apenas combinações de curta duração (raras) ou combinações de duração média (especiais) dadas por:

O dimensionamento de estruturas correntes, normalmente se considera valores de γg=1,4 (ações permanente de grande variabilidade) e γq = 1,4 para as ações variáveis. Os valores para os fatores de combinação e utilização são obtidos da tabela 11 a seguir.

 

b. A segurança das estruturas de madeira

i. Condições de segurança

A segurança da estrutura será garantida pelo respeito às condições construtivas especificadas na NBR 7190/1997 e, simultaneamente, pela obediência as condições analíticas de segurança expressas por:

onde: Sd são as solicitações de cálculo e Rd são as resistência de cálculo.

Em casos especiais, permite-se tomar a resistência de cálculo Rd como uma fração da resistência característica Rk estimada experimentalmente dada por:

onde os valores de kmod e γw são os mesmos já tabelados anteriormente.

Essa situação ocorre quando há o desenvolvimento de um novo elemento estrutural, cuja condição analítica de segurança seja muito trabalhosa. Assim realizam-se ensaios em amostras selecionadas, de onde se estima os valores característicos pela expressão já apresentada anteriormente.

Em seguida estima-se o valor de cálculo para a condição de verificação de segurança em questão.

4.Ligações

a. Ligações mecânicas

i. Ligações com pinos metálicos

No projeto de ligações das estruturas de madeira a segurança é verificada em relação aos seguintes modos de ruptura esquematizados na figura 10, além do respeito aos afastamentos e espaçamentos mínimos da figura 11. Portanto, respeitadas essas condições aqui esquematizadas, a resistência das ligações poderá ser determinada pelas expressões analíticas da NBR 7190/1997, dadas a seguir.

As condições analíticas são aplicadas para os casos de flexão do pino ou embutimento do pino na madeira, desde que respeitadas as condições construtivas com espaçamentos mínimos esquematizados neste capítulo.

Para as condições analíticas são consideradas as seguintes situações de solicitação do pregou ou da peça de madeira, figura 12.

A resistência da ligação é determinada para uma seção de corte, figura 14, pelas equações 17 ou 19, que devem ser escolhidas a partir da relação β= t / d, quando comparada com o valor de βlim , dado a seguir:

onde β = t / d (espessura da madeira t e o diâmetro do pino t) e βlim é um valor de referência determinado pela raiz quadrada da relação entre a resistência de cálculo do pino e a resistência de cálculo da madeira, para a respectiva classe.

Os valores de t a serem considerados nas expressões anteriores são determinados pelos critérios esquematizados na figura 13.

Para a determinação da resistência de cálculo da ligação todas as seções de corte devem ser consideradas tais como esquematizados nas figuras 14, 15 e 16 a seguir.

ii. Exemplo de dimensionamento de uma ligação

Determinar a resistência à tração da ligação de madeira esquematizada na figura16. Considerar que a peça central é de madeira C20, com espessura t=80 mm e as peças laterais de madeira C60, com espessura de 20 mm. Para projeto considerar que a resistência de embutimento é igual à resistência à compressão paralela as fibras e a resistência ao escoamento do aço, valor característico, é fyk = 700 MPa. Empregar kmod1=0,7; kmod2=0,8 e kmod3=0,8; considerando a ligação com 8 pinos de 9 mm de diâmetro, em corte duplo.

Deixe um comentário

avatar
  Subscribe  
Notify of