Características
Introdução
A madeira é um material ortótropo, ou seja, o seu comportamento é dependente da direção anatômica considerada – radial, tangencial e axial. Desse modo, contrariamente aos materiais convencionais de uso consagrado na construção, requer-se maior diversidade de ensaios para a caracterização fisico-mecânica da madeira.
Torna-se de fundamental importância que a espécie de madeira seja previamente identificada. Trata-se de investigação básica na qual não existe diferença entre os procedimentos a serem utilizados nos diferentes laboratórios. Quando houver a possibilidade deve-se também coletar material auxiliar na mata (folhas, casca, flores e frutos); caso contrário, empregam-se técnicas de preparação para efetuar análises microscópica e macroscópica, conforme relatado neste site em anatomia da madeira.
Devido à sua importância histórica, a seguir se apresentam os procedimentos que eram adotados visando-se à caracterização físico-mecânica da madeira. Atualmente, encontra-se em vigor a norma NBR 7190, em cujo Anexo B são descritos os procedimentos que devem ser adotados no estudo das propriedades físico-mecânicas da madeira.
Amostragem
MB 26/1940
Para cada espécie recomendava-se o estudo de, no mínimo, três árvores, com dimensões mínimas previstas para a seção transversal. Nas toras também já se definia qual era a posição da qual seriam retirados os corpos de prova destinados para os diferentes ensaios.
De uma forma simplista podia-se afirmar que “conhecia-se tudo de uma árvore, para a qual não haveria nunca uma outra similar na natureza”. Ou seja, o enfoque adotado era determinístico, o que conduzia à necessidade da escolha, para os projetos estruturais, de fatores de segurança muito elevados, da ordem de até 50%.
COPANT
A COPANT (Comissión Panamericana de Normas Técnicas) prevê que a própria árvore, da qual serão retirados os corpos de prova, seja escolhida na floresta antes de se efetuar o seu corte. Sorteia-se um azimute magnético e coleta-se, nessa direção sorteada, o primeiro indivíduo a ser encontrado e que seja representante da espécie a ser estudada.
NBR 7190/97
Essa norma preconiza que a coleta das amostras de determinada espécie de madeira (identificada macroscopicamente ou microscopicamente) seja feita ao acaso em serrarias (6 ou 12). Por dispensar o uso de serrarias de grande porte, necessárias para realizar o desdobramento da tora, essa possibilidade contribuiu para a “democratização” no estudo da madeira, pois laboratórios de pequeno porte também podem ser capacitados para conduzir os ensaios de caracterização físico-mecânica da madeira, visto que, geralmente os mesmos não dispõem de serrarias de grande porte para efetuar o desdobro das toras. Esse tipo de amostragem leva em consideração a dispersão natural dos resultados, permitindo, portanto, atribuir-se à madeira um enfoque probabilístico, o que permite adotar para a madeira os mesmos procedimentos estatísticos empregados no estudo do concreto e do aço.
Umidade
Teor de umidade
O método adotado é o da estufa, considerando-se, para o cálculo da umidade, o valor da massa em base seca (massa anidra). A temperatura adotada é de (103 + 2) °C; a duração da secagem varia de 24 a 48 h, ou até que em duas pesagens sucessivas a massa não difira de 0,5%.
A maioria das propriedades da madeira depende fortemente do seu teor de umidade. Desse modo, para que se possa comparar as distintas espécies, deve-se adaptar os resultados obtidos para um determinado teor de umidade. De acordo com o MB-26 esse valor era de 15%; pela NBR 7190/97, esse valor passou para 12% (teor de umidade de referência que também é adotado pelas norma COPANT e pela ASTM).
Dois tipos de procedimento podem ser adotados para que as amostras de madeira atinjam a umidade de equilíbrio de 12%. Ou se adota o uso de climatizadoras, que são equipamentos dotados de controle de temperatura e de umidade, ou se efetua o ensaio (geralmente de compressão paralela às fibras, compreendendo vários estágios da secagem da amostra), para obter-se o coeficiente de influência da umidade (CIH). Pode-se então ajustar uma curva matemática aos dados experimentais ou obter-se graficamente o CIH, calculando-se a tangente à curva da resistência à compressão versus umidade, obtida no intervalo de 10 a 20% (supondo que esse trecho seja retilíneo).
Variações dimensionais
Recomenda-se que seja feito o acompanhamento paulatino da secagem da amostra, monitorada por pesagem e por medições efetuadas ao longo das três direções anatômicas da amostra (longitudinal, radial e tangencial). Usualmente consideram-se três condições de umidade:
Madeira verde: teor de umidade igual ou superior ao ponto de saturação das fibras ao ar – PSA ou PSF, geralmente em torno de 30% – madeiras mais densas têm esse valor reduzido para até 20%;
Madeira seca ao ar: teor de umidade quando ocorre a estabilização em massa da amostra (depende de condições ambientais, atingindo o valor entre 10 a 20%);
Madeira anidra: após secagem em estufa (0% de umidade).
Na maioria dos casos práticos, no entanto, coleta-se amostras de madeiras denominadas de “comercialmente secas”, e que apresentam umidade na faixa entre 10% a 20%. Nesse caso pode-se adotar dois procedimentos:
– Colocação da amostra em estufa para secagem, seguido de estabilização da massa ao ar e da posterior saturação das fibras por imersão em água;
– Adotando-se o procedimento inverso, ou seja, primeiramente efetua-se a imersão, seguida de estabilização ao ar e posterior secagem em estufa.
Ambos os procedimentos apresentam resultados discutíveis pois em um deles pode-se provocar o surgimento de fissuras na amostra, enquanto que no outro são eliminados extrativos durante a imersão. Em ambos os casos se altera a estrutura original da madeira, o que pode vir a mascarar os resultados obtidos.
Denomina-se retração (shrinkage) à diminuição nas dimensões da madeira devido à perda de umidade abaixo do ponto de saturação das fibras (PSF ou PSA), enquanto que o inchamento (swelling) corresponde ao aumento nas dimensões devido ao ganho de umidade, antes de ocorrer o PSF . Denotando o comportamento ortotrópico (dependente da direção considerada) da madeira, observa-se que as variações dimensionais apresentam um mesmo padrão: são desprezíveis na direção axial, predominantes na direção tangencial (às vezes atingindo o dobro da variação na direção radial); a variação volumétrica pode ser considerada como sendo praticamente a soma das três variações lineares (ou das duas que são mais importantes – radial e tangencial).
A retração/inchamento da madeira é denominada parcial quando se comparam as situações de madeira seca ao ar e de madeira verde; quando se compara a madeira verde com a madeira anidra diz-se retração/inchamento total.
Variações lineares
De acordo com o MB 26/1940, deveriam ser cravados pequenos pregos nas faces da amostra (2 cm x 2 cm x 3 cm) e efetuadas as medições nas três direções anatômicas da madeira, enquanto ocorria variação no seu teor de umidade.
De acordo com a NBR 7190/97, as medições devem ser efetuadas diretamente em marcações feitas nas faces da amostra (2 cm x 3 cm x 5 cm). Evidentemente em ambas as metodologias propostas se prevê que as amostras tenham arestas paralelas às camadas de crescimento. No caso do uso da NBR 7190/97, para medir as variações radiais deve-se efetuar a marcação na face tangencial e vice-versa.
Outra importante diferença refere-se à forma de realização dos cálculos: enquanto no MB 26/1940 a retração era obtida dividindo-se a amplitude da variação dimensional pelo valor da dimensão da madeira na condição anidra (a menor), na NBR 7190/97 propõe-se a razão entre a mesma amplitude, porém pelo valor da dimensão saturada (a maior). Essa forma de efetuar o cálculo da retração pela norma antiga culminou por afetar negativamente as madeiras brasileiras, cuja retração era sempre superior à real (na verdade, o que no MB 26 apresentava-se como retração era o que na ASTM se define como inchamento, e vice-versa).
rxp = retração parcial na direção “x” (radial, tangencial, axial ou volumétrica);
rxt = retração total;
ls = dimensão da madeira na condição saturada;
lh = dimensão da madeira na condição seca ao ar;
le = dimensão da madeira seca em estufa.
Como converter: c7190/97 = (cmb26/(1+cmb26))
Variações volumétricas: de acordo com o MB 26/1940, o volume do corpo de prova deveria ser determinado em uma balança de mercúrio; na COPANT, prevê-se o deslocamento em água (diretamente quando a madeira estiver verde, e após envelopamento em parafina quando a madeira estiver seca ao ar); a NBR 7190/97 prescreve a obtenção do volume diretamente por meio do produto da média das dimensões lineares, obtidas conforme relatado no item anterior. Nesse último caso, deve-se esperar que a usinagem da madeira tenha sido feita de forma adequada para evitar possíveis erros nas medições.
Desse ensaio obtém-se o coeficiente de retratibilidade volumétrica, que indica a tendência da madeira em se movimentar durante a secagem. Esse coeficiente corresponde à razão entre a variação volumétrica parcial (entre as condições verde e seca ao ar) e o teor de umidade da madeira.
Um coeficiente igual a 0,45 significa, por exemplo, que a madeira irá perder/ganhar 0,45% de volume a cada variação de 1% de umidade, desde que a madeira tenha umidade abaixo do ponto de saturação das fibras (PSA).
Obs: da mesma forma que foram descritos esses conceitos para o volume da madeira poder-se-ia aplicá-los às variações lineares, obtendo-se coeficientes de retratibilidade lineares para cada direção anatômica considerada.
Ponto de saturação das fibras ao ar (PSA ou PSF)
É o teor de umidade a partir do qual a madeira apenas tem aumentada sua massa, sem que sejam modificadas suas dimensões. Corresponde à razão entre a contração volumétrica total (entre as condições verde e seca em estufa) e o coeficiente de retratibilidade volumétrica.
Densidade aparente ou Massa específica aparente
Essas diferentes denominações, referentes à razão entre uma massa e o volume (determinado pelos métodos descritos anteriormente), ainda não conseguiram obter unanimidade entre os pesquisadores e os laboratórios. A densidade de massa é a atualmente recomendada pelo IPT – SP, porém antigas publicações citavam a massa específica aparente ou a densidade aparente da madeira. Pelo fato de a massa específica aparente ou a densidade aparente dependerem da umidade da madeira recomendava-se que o valor obtido no ensaio fosse adaptado para a umidade de referência (de 15% ou de 12%).
Exemplo
Madeira Massa úmida Massa seca Reação (Hg) Volume Umidade (%) Massa espec. Coef. retr. vol. Massa esp a 12%
Caixeta 6.00 5.30 169.40 12.51 13.21 0.48 0.34 0.48
Pinho 7.55 6.62 158.01 11.67 14.05 0.65 0.52 0.64
Ipê 15.44 13.31 160.27 11.84 16.00 1.30 0.81 1.29
Uma outra forma de relacionar a razão entre a massa e o volume da madeira é a densidade básica, utilizada principalmente no setor de celulose e papel. Caracteriza-se pela razão entre duas grandezas que nunca ocorrerão simultaneamente – a mínima massa (ou seja, após secagem da madeira em estufa) e o máximo volume (ou seja, a madeira saturada). Uma madeira com densidade básica de 0,48 g/cm3, indica que para cada metro cúbico de madeira verde poder-se-ia obter 480 kg de material seco.
Para todas as espécies de madeira a densidade real situa-se em torno de 1,54 g/cm3. O que as torna diferentes sob o ponto de vista da densidade de massa, além da variação no teor de umidade, é a porcentagem ocupada pelos diferentes elementos anatômicos (fibras, vasos, raios e células parenquimáticas) e pela presença ou não de extrativos e de sua natureza. Desse modo, madeiras muito leves apresentam densidade de massa da ordem de 0,20 g/cm3, enquanto que para madeiras muito densas esse valor pode ultrapassar 1,20 g/cm3.
Na ausência de maiores informações, e desde que se tenha o mesmo teor de umidade das amostras, quanto mais densa for a madeira provavelmente maior será sua resistência mecânica.
Compressão paralela às fibras
De acordo com o MB 26/1940, procedia-se a dois tipos de ensaios:
No primeiro deles – denominado de qualificação, as amostras (2 cm x 2 cm x 3 cm) eram retiradas de tal forma que ocorressem arestas paralelas às camadas de crescimento. Desse ensaio também se retirava o coeficiente de influência de umidade (CIH) – supondo que o trecho relativo às umidades 10% e 20% fosse retilíneo, ensaiando-se amostras referentes a vários teores de umidade. O CIH (em %) representa quanto a madeira na umidade h% teria aumentada ou diminuída sua resistência mecânica, quando fosse adaptada para 12% (ou 15%) de umidade.
Espécie Massa úmida Massa seca Umidade Tensão CIH Tensão a 12%
Caixeta 6.00 5.30 13.21 31.84 5.00 33.89
Pinho 7.55 6.60 14.39 47.46 4.70 53.89
Ipê 15.44 13.31 16.00 115.17 3.30 132.70
Cota de qualidade
Trata-se de um valor comparativo entre as diferentes espécies indicando aquelas que apresentavam maior resistência em relação à sua densidade a 15% de umidade.
No segundo tipo de ensaio, obtinha-se a tensão no limite de proporcionalidade e o módulo de elasticidade, em amostras de 6 cm x 6 cm x 18 cm, ensaiadas na condição de madeira verde. Relógios comparadores (com sensibilidade de mícrons) eram instalados em duas faces opostas do corpo de prova e efetuava-se a leitura a cada incremento de carga constante de 500 kgf, por exemplo.
Pela NBR 7190/97, repete-se o mesmo procedimento, porém as amostras não necessitam apresentar arestas paralelas às camadas de crescimento; as dimensões dos corpos-de-prova são de 5 cm x 5 cm x 15 cm. Ambas as normas preconizam velocidade de aplicação da carga de 10 MPa/min. Pela NBR 7190/97, deve-se efetuar ciclos de carga preliminares para que ocorra antes a acomodação do corpo de prova em relação aos pratos da máquina de ensaio.
Para o cálculo da tensão de ruptura (Fc0) adota-se o conceito do estimador: os resultados obtidos são colocados em ordem crescente, desprezando-se o valor mais elevado (se o número de corpos de prova for ímpar).
Módulo de elasticidade. Madeira: Guariúba – Tensão de ruptura: 41,46 MPa.
Módulo de elasticidade = 13GPa
O módulo de elasticidade em compressão (assim como deve ser efetuado nos ensaios de tração na flexão estática e tração paralela às fibras) é obtido para a região correspondente à variação nas deformações da madeira quando submetida a cargas entre 10% e 50% de sua resistência última (testada preliminarmente em uma amostra gêmea).
Pela ASTM/COPANT, adotam-se as dimensões de 5 cm x 5 cm x 20 cm, sendo o ensaio conduzido em máquinas que permitem regular a velocidade de deslocamento do cabeçote (10mm/min).
Exemplo
Área do corpo de prova = 24,89 cm2
Deformação na proporcionalidade = 13,5 cm/250 = 0,054 cm
l0 = 15 cm
Tensão no limite de proporcionalidade (kgf/cm2)
=18500/24,89=743
Tensão de ruptura (kgf/cm2)=
23250/24,89=934
Deformação específica=0,054/15=0,0036
Módulo de elasticidade (kgf/cm2)=
743/0,036= 206000
Compressão perpendicular às fibras
Esse ensaio, embora seja importante para avaliar madeiras empregadas na forma de dormentes, não estava previsto no MB 26/1940. Pela NBR 7190/97, as amostras apresentam dimensões de 5 cm x 5 cm x 10 cm. Devido às especificidades anatômicas da madeira a carga, aplicada sobre uma placa metálica apoiada na superfície da madeira, não conduz à ruptura do corpo de prova. Desse modo, avalia-se apenas a tensão no limite de proporcionalidade e o módulo de elasticidade (transversal), valores que são nitidamente inferiores àqueles relativos ao ensaio de compressão paralela às fibras. A resistência da madeira em compressão perpendicular às fibras (fc90), pela NBR 7190/97, corresponde à tensão relativa à deformação residual de 2/1000, conforme procedimento similar àquele adotado no ensaio à tração do aço.
Tração paralela às fibras
Durante o ensaio de compressão paralela o corpo de prova se rompe devido à flambagem individual das fibras. No entanto, na tração paralela as fibras se solidarizam exigindo que cargas elevadas sejam desenvolvidas para que ocorra o rompimento da madeira. Geralmente a tensão de ruptura em tração paralela é cerca do dobro daquela apresentada pela mesma espécie em compressão paralela às fibras. Desse modo, tanto o MB 26/1940 como a NBR 7190/97 recomendam que seja reduzida a seção do corpo de prova para que a ruptura ocorra em sua região central. Cuidados devem ser tomados quando se ensaiam madeiras mais leves (ou o bambu, por exemplo), pois pode ocorrer o esmagamento do corpo de prova na região de contato com as garras da máquina de ensaios. Para evitar tal inconveniente no ensaio, pode-se proteger a região de contato por meio da colocação de pedaços de madeira dura ou de resina epóxi.
As normas ASTM/COPANT não fazem menção a esse tipo de ensaio, indicando que pode-se obter o comportamento da madeira submetida à tração paralela às fibras, por meio do resultado do ensaio tração em flexão estática, cuja execução é mais fácil.
Tração perpendicular às fibras
Trata-se de uma solicitação na qual a madeira não apresenta grande resistência mecânica, pois depende apenas da eficiência da aderência mútua entre as fibras. Portanto, em uma obra deve ser evitado este tipo de solicitação aplicada à madeira, utilizando-se do auxílio de estribos metálicos.
Flexão estática
De forma similar à anterior, no MB 26/1940 previa-se o ensaio de qualificação para amostras secas ao ar, com dimensões de 2 cm x 2 cm x 30 cm (vão livre de 28 cm), além de um indicativo da rigidez da madeira, denotado pela razão entre o vão e a flecha obtida na região inferior da peça (L/f).
Exemplo
Espécie Tensão L/f
Caixeta 73.07 60
Pinho 89.48 48
Ipê 180.91 40
A tensão no limite de proporcionalidade e o módulo de elasticidade (para madeira verde) eram obtidos em amostras com dimensões de 6 cm x 6 cm x 100 cm (vão livre de 75 cm). Utilizava-se um defletômetro (sensibilidade de centésimos de mm) posicionado na região inferior mediana da peça. Adotava-se o coeficiente de influência de umidade (CIH) igual à metade do valor obtido no ensaio de qualificação em compressão paralela às fibras.
Pela NBR 7190/97, o ensaio deve ser conduzido em ciclos de carga, para a acomodação do corpo de prova aos cutelos da máquina de ensaios. As amostras de 5 cm x 5 cm x 115 cm são ensaiadas com vão livre de, no mínimo, 21.h (onde h é a altura da peça), de forma perpendicular à direção radial do corpo de prova. De forma similar ao do ensaio de compressão paralela às fibras, para o cálculo do módulo de elasticidade considera-se as tensões e deformações correspondentes a 10% e 50% da tensão máxima (fm), obtida preliminarmente em uma amostra controle.
Pela ASTM/COPANT adota-se corpos-de-prova com dimensões de 5 cm x 5 cm x 76 cm (vão livre de 71 cm).
Normalmente se calculam os valores do limite de proporcionalidade (LP), do módulo de ruptura (MOR) e do módulo de elasticidade (MOE).
b=5,00 cm; h=4.97 cm; flecha=12/9,9=1,212 cm
LP= (3*1260*71)/(2*5,00*(4,97^2))=1400 kgf/cm2
MOR= (3*1875*71)/(2*5,00*(4,97^2))=1600 kgf/cm2
MOE= (1260*(71^3))/(4*1,212*5,00*(4,97^3))= 152000 kgf/cm2
Flexão dinâmica – Resistência ao impacto
Trata-se de ensaio necessário visando à caracterização de madeiras que possam vir a ser submetidas a cargas dinâmicas (cabos de ferramenta e de esqui, tacos de polo e de golfe, assoalhos de caminhões e tabuleiros de pontes). Utiliza-se o pêndulo de Charpy (MB 26/1940) ou um equipamento similar (NBR 7190/97). No primeiro caso, mede-se a energia absorvida (kgf.m) pela madeira ao ser impactada por um pêndulo de 10 kgf, posicionado a 1 m de altura em relação ao corpo de prova, de dimensões 2 cm x 2 cm x 30 cm (vão de 28 cm). Além disso, obtém-se o coeficiente de resiliência (k) e a cota dinâmica (Cd ) para a espécie, dados por:
Coeficiente de resiliência
Cota dinâmica
Cisalhamento
Mede a resistência da madeira ao efeito de se provocar o deslizamento de um plano sobre outro, solicitação essa comum em estruturas de madeira. Também se propôs a modificação na geometria do corpo-de-prova; no MB 26/1940, o corpo-de-prova era entalhado; na NBR 7190/97, o corpo-de-prova é cúbico.
Nome vulgar Nome botânico Tensão (MPa)
Guariúba Clarisia racemosa 11.8 (verde); 12.5 (seca)
Cumaru Dipteryx odoratta 18.1 (verde); 18.5 (seca)
Conduru Brosimum rubescens 18.2 (verde); 18.8 (seca)
Louro-chumbo Licaria canela 17.9 (verde); 19.3 (seca)
Fendilhamento
Nesse tipo de solicitação, a madeira apresenta sua menor resistência dentre todos os ensaios. Também, na NBR 7190, se propôs a modificação na geometria do corpo de prova.
MB 26/1940
NBR 7190/97
Nome vulgar Nome botânico Tensão (MPa)
Andiroba Carapa guianensis 0.76
Cupiúba Goupia glabra 0.85
Sapucaia Lecythis usitata 0.60
Freijó Cordia goeldiana 0.56
Dureza Janka
Visa qualificar madeiras para assoalhos, sendo adotado o método Janka. Mede-se o esforço necessário para introduzir uma semi-esfera (de seção 1 cm2) no topo (ou nas faces) do corpo de prova. Adota-se como tensão o valor correspondente à carga necessária para aprofundar essa semi-esfera. O ensaio pode ser aplicado às três faces da madeira; na face transversal, é maior a dureza da madeira. O ensaio pode ser uma ferramenta importante para avaliar a condição de madeiras expostas às intempéries, como por exemplo, dormentes ferroviários.
Tabela – LAMEM – EESC-USP
Ensaios Não-destrutivos (END)
Originalmente desenvolvidos para o estudo do aço e de outros materiais homogêneos os END também tem sido aplicados ao estudo de materiais à base de cimento e de diverso polímeros. No tocante à madeira, o uso do END ainda não é plenamente utilizado, devido ao desconhecimento de seu potencial.
Dentre os métodos possíveis de serem aplicados na investigação da madeira destaca-se a velocidade de propagação do pulso ultrassônico (VPU), obtida por meio de ultrassom ou de frequência de ressonância. O método de ultrassom mostra-se mais indicado para a inspeção de estruturas em serviço, para a detecção de defeito em peças e para a avaliação do efeito da umidade nas caraterísticas da madeira. O segundo método mostra maior aplicabilidade em ensaios laboratoriais, além de requerer especificidades quanto à geometria da peça (o comprimento deve ser muito superior às dimensões da seção transversal).
O ultrassom permite detectar a influência da orientação anatômica da madeira (transversal, tangencial e radial) na VPU. A VPU é máxima na direção paralela às fibras (longitudinal) – da ordem de 5000 m/s. Para as demais direções, a VPU é da ordem de 2000 m/s.
A VPU depende de uma série de fatores: da espécie, da direção anatômica considerada, do teor de umidade, da proporção de cerne e alburno, da presença de defeitos, do nível de degradação da madeira, dentre outros.
O END por ultrassom apresenta grande potencial para ser utilizado para detectar o estado de peças em serviço, ou para a classificação de peças estruturais em serrarias. Se as peças apresentarem as mesmas características (espécie, geometria e umidade), quanto maior for a VPU obtida provavelmente maior será a resistência mecânica do material.
O módulo de elasticidade dinâmico da madeira (Ed) apresenta, geralmente, um valor mais elevado (da ordem de 20%) do que o do módulo de elasticidade obtido no ensaio destrutivo. De uma forma simplificada, pode-se adotar que o Ed seja similar às constantes elásticas da madeira, sendo dado por:
d = massa específica aparente da madeira (kg/m3);
v = VPU na direção anatômica considerada (m/s).
Links externos relacionados
Feagri
Unesp – Botucatu
Identificação
