Estruturas de Madeira - Caracteristicas Botanicas Quimicas e Fisicas

1 AÇAILÂNDIA MA 2023 ESTRUTURAS DE MADEIRA I Prof Deckson Lacerda 2 SUMÁRIO 1 Características botânicas da madeira 2 Características químicas da madeira 3 Características físicas da madeira 3 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Estrutura macroscópica do tronco Figura 1 Estrutura macroscópica de um tronco típico Fonte Hortegal 4 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Estrutura macroscópica do tronco Lenho é o conjunto de todos os anéis de crescimento cerne e alburno Casca é um tecido especial constituído interiormente pelo floema conjunto de tecidos vivos responsáveis pela condução da seiva elaborada e exteriormente pelo córtex periderme e ritidoma tecidos que revestem o tronco A casca tem a função de proteger o vegetal contra ressecamento ataques fúngicos injúrias mecânicas e variações climáticas não servindo para uso estrutural 5 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Câmbio o câmbio é uma camada de células situada entre o xilema e o floema cuja função é a de gerar novas células tecido meristemático Essas novas células irão formar os tecidos secundários que constituem o xilema e a casca Anéis de Crescimento as atividades do câmbio geram anéis que podem ser facilmente identificados em um corte transversal de um tronco Essa identificação é mais visível em vegetais que são encontrados em regiões de clima temperado onde as estações do ano são bem definidas e os anéis de crescimento correspondem a ciclos anuais caracterizando dessa maneira a idade da árvore figura 13 6 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA As mudanças climáticas nas diferentes estações do ano são as responsáveis pelas variações da atividade cambial Durante a primavera e o verão onde há abundância de luz e água a atividade cambial é muito intensa formando células que são caracterizadas pela sua coloração clara lenho inicial ou estival diminuindo progressivamente no outono até cessar por completo no inverno que devido a escassez de luz e água apresentam uma tonalidade mais escura lenho tardio ou primaveril O ciclo anual da árvore se dá pela intercalação entre o lenho inicial e o tardio 7 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Figura 2 Anel de crescimento de uma gimnosperma em corte vertical Fonte Burger e Richter 1991 apud Hortegal 8 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Cerne e Alburno o lenho de uma árvore é composto por uma região mais escura localizada no seu centro cerne que é caracterizado como sendo a região mais resistente e mais densa de vasos lenhosos mais antigos A outra região alburno mais clara é localizada nas proximidades do câmbio que é a região jovem do tronco onde as atividades dos vasos lenhosos ainda são atuantes sendo dessa maneira uma região mais úmida e menos resistente O transporte da seiva elaborada e a formação de células novas ocorrem na periferia do tronco Dessa maneira à medida que a árvore cresce a sua parte mais central distanciase do câmbio e vai perdendo as suas atividades vitais caracterizando o seu crescimento horizontal 9 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Raios medulares são faixas horizontais de comprimento indeterminado dispostas radialmente no tronco Os raios medulares são células parenquimáticas cuja função principal é a de armazenamento de substâncias nutritivas e que desempenham também o transporte de nutrientes no sentido horizontal Medula é a parte mais central do tronco que resulta da primeira fase do crescimento vertical A medula tem função de armazenar substâncias nutritivas e por ser constituída de tecido parenquimático é uma região suscetível a apodrecimentos causados por fungos 10 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Por se tratar da região de resistência mais baixa essa parte do tronco é completamente desprezada para utilização do material para a construção civil Estrutura Microscópica do Tronco Para fins de estruturas de madeira vocês futuros engenheiros devem saber o básico em relação às estruturas microscópicas do tronco Saber como são estes elementos e como eles se posicionam nas árvores pois só assim é possível compreender o seu comportamento estrutural As principais estruturas microscópicas são os traqueídes vasos fibras e raios medulares 11 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Os raios medulares são encontrados tanto nas coníferas quanto nas dicotiledôneas Além dos raios medulares as coníferas são constituídas principalmente por traqueídes e as dicotiledôneas por vasos e fibras Figura 3 estrutura microscópica das coníferas corte transversal Fonte Calil Junior 2000 apud Hortegal Figura 4 estrutura microscópica das dicotiledôneas corte transversal Fonte Calil Junior 2000 apud Hortegal 12 CARACTERÍSTICAS BOTÂNICAS DA MADEIRA Traqueídes são células alongadas fechadas e afiladas nas extremidades Têm a função de conduzir a seiva e resistir as solicitações mecânicas Vasos são constituídos por células alongadas fechadas no início de sua formação e com posterior dissolução das paredes formando um duto contínuo Fibras são longas de paredes relativamente grossas apresentam restrito espaço vazio interno 13 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA MADEIRA Formação da madeira Em razão da complexidade da madeira o exame de sua constituição molecular toma por base as substâncias que a constituem E uma dessas substâncias é a seiva bruta que é uma solução aquosa com baixa concentração de sais minerais ela é retirada do solo pelas raízes sistema radicular e de gás carbônico CO2 do ar atmosférico O processo de transformação da seiva bruta em seiva elaborada ocorre nas folhas através do processo da fotossíntese Esse processo ocorre através da combinação do gás carbônico do ar com a água do solo e absorção de energia calorífica como mostra a equação CO2 2H2O 1123 cal CH2O H2O O2 luz e clorofila 14 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA MADEIRA A análise elementar da madeira indica a seguinte composição química Do processo fotossintético formase o radical monossacarídeo CH2O que é o componente orgânico elementar que forma a madeira Este elemento através de processos de polimerização vai originar os açucares que formam a maioria das substâncias orgânicas vegetais tais como celulose hemicelulose lignina resinas e corantes Tabela 1 composição química elementar da madeira Fonte Hellmeister 1983 apud Hortegal 15 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA MADEIRA A concentração dessas substâncias varia de acordo com a classificação botânica da árvore Tabela 2 composição orgânica da madeira Fonte Hellmeister 1983 apud Hortegal A lignina é um composto aromático de alto peso molecular que exerce a função de cimento ou adesivo dando rigidez e dureza ao material 16 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA MADEIRA Celulose A celulose é um polímero formado de até 3000 elementos que constitui as paredes das fibras vasos e traqueídes A celulose segundo Foelkel 1977 é um polissacarídeo linear de alto peso molecular não solúvel em água provavelmente o composto químico mais abundante no planeta Tratase do componente fundamental da estrutura celular da madeira constituindo cerca de 50 de sua composição A formação dessa molécula origina a água de impregnação A saída dessa água gera retração e a entrada inchamento gerando deformações em suas peças 17 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA MADEIRA A fórmula geral da celulose é C6H10O5 As cadeias de celulose através das suas oxidrilas OH são ligadas por pontes de hidrogênio Figura 5 Fórmula estrutural básica da celulose Fonte Hortegal 18 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA MADEIRA Fonte Hortegal Figura 6 Ligação entre cadeias de celulose através de pontes de hidrogênio Fonte Hortegal Figura 7 Ligação das hidroxilas com molécula de água Além da ligação lateral entre as cadeias de celulose as hidroxilas podem unir se a moléculas de água 19 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA As propriedades físicas da madeira são fundamentais para a definição dos limites de resistência As características da madeira são fortemente influenciadas por numerosos fatores como as diferentes condições de temperatura composição e umidade do solo no local de crescimento da árvore densidade do povoamento e tipo de manejo a ele aplicado posição da árvore no terreno incidência de chuvas e etc Tais fatores provocam varia ções significativas na madeira formada mesmo em se tratando de árvores da mesma espécie Com isso vamos ver as mais importantes características no aspecto de projetos de estruturas de madeira umidade densidade retração e inchamento 20 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Umidade A quantidade de água existente na madeira influi nas suas demais propriedades físicas Existem três tipos de água na madeira impregnação absorção e constituição A água de absorção é a responsável pelo enchimento dos vazios dos elementos anatômicos Teoricamente esse tipo de água não afeta a resistência da madeira porém a sua saída brusca em uma secagem pode provocar tensões capilares e trincamento da peça A água de impregnação é aquela que se aloja entre as cadeias de celulose impregnando as paredes dos elementos anatômicos provocando inchamento ou retração 21 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA A água de constituição é oriunda da formação da madeira fazendo parte da sua estrutura molecular A sua saída ocorre somente com a sua queima Ponto de saturação O ponto de saturação é caracterizado pela umidade abaixo da qual toda a água existente é água de impregnação em torno de 33 A perda de água da madeira até esse ponto não gera problemas para a sua estrutura A partir desse ponto a sua secagem requer mais cuidados para evitar defeitos pois ela é acompanhada pela retração e aumento de resistência mecânica devido a movimentação das cadeias de celulose 22 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Em contato com o ar atmosférico a madeira tende a se estabilizar com a umidade do meio caracterizando a umidade de equilíbrio que é função da temperatura e da umidade relativa do ar No Brasil esse parâmetro fica em torno de 12 a 15 A NBR 71901997 trabalha com UE 12 condição que é atingida com T 20 ºC Porcentagens de umidade inferiores à UE somente são conseguidas em estufas ou câmaras de vácuo 23 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Teor de umidade O teor de umidade é determinado pela seguinte expressão m1 Massa inicial da madeira m2 Massa da madeira seca em estufa 100 ou 3 ºC Para fins de aplicação estrutural da madeira e para classificação de espécies a norma brasileira especifica a umidade de 12 como de referência para a realização de ensaios e valores de resistência nos cálculos 24 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Figura 8 Umidade na madeira Fonte Calil Junior 2000 Hortegal 25 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Métodos de secagem Denominase secagem ao processo de evaporação das moléculas de água livre e água de impregnação A evaporação da água diminui a densidade da madeira e isto acaba por reduzir o custo de seu transporte A secagem da madeira pode ser realizada ao ar livre ou em estufas No processo de secagem natural a madeira estabiliza a sua umidade entre 12 e 15 pois existe um equilíbrio com a umidade do meio O teor de umidade de 0 só é atingido pela madeira quando o processo de secagem é realizado artificialmente nas estufas 26 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Quais os benefícios da secagem das peças de madeira redução da movimentação dimensional permitindo a obtenção de peças cujo desempenho nas condições de uso será potencialmente mais adequado possibilidade de melhor desempenho de acabamentos como tintas vernizes e produtos ignífugos aplicados na superfície das peças redução da probabilidade de ataque de fungos aumento da eficácia da impregnação da madeira contra a demanda biológica aumento dos valores numéricos correspondentes às propriedades de resistência e de elasticidade 27 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Figura 9 secagem natural Fonte Hortegal Figura 10 secagem artificial fornos Fonte Hortegal 28 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Exemplo 1 Desejase determinar a porcentagem de umidade de uma peça de Jatobá Hymenaea stilbocarpa a ser empregada na confecção de um piso Dela se retira uma amostra de acordo com as recomendações da NBR 71901997 A massa inicial da amostra é 4288 g A massa seca é 2876 g Qual é o valor da umidade procurada U Exemplo 2 Uma peça de madeira para emprego estrutural tem massa de 6148 g e deve ser submetida à secagem até atingir 12 condição na qual será utilizada Sabendose que uma amostra retirada da referida peça nas dimensões indicadas pela NBR 71901997 pesou 3452g a U de umidade e 2501g massa seca pedese estimar o peso da peça em questão quando for atingida a umidade de 12 29 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Densidade A densidade é uma das propriedades físicas fundamentais na definição das melhores aplicações da madeira de diferentes espécies No caso de estruturas seu peso próprio é estimado com base no valor da densidade da espé cie ou classe utilizada A densidade da madeira representa o seu peso específico Ela depende da espécie em estudo do local de procedência da árvore da localização do corpo de prova na tora e da umidade No estudo de estruturas de madeira existem dois tipos de densidade consideradas real e aparente 30 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Densidade Real representa a densidade do material madeira sem computar águas e vazios ou seja somente o seu valor de ocupação do material Ela é obtida através da densidade das paredes dos elementos anatômicos Cientificamente ela já foi calculada e seu valor é de 153 ou 003 gcm3 independente da espécie Densidade Aparente É a densidade medida no teor U de umidade em que a madeira se encontra e é dada pela seguinte expressão Pu Peso da madeira a U de umidade 31 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Vaparente Volume do corpo medido a U de umidade Esta densidade é um parâmetro utilizado para a determinação da qualidade da madeira em relação a sua utilização estrutural onde quanto maior a densidade aparente melhores são as suas características mecânicas Umidade e resistência são grandezas inversamente proporcionais Figura 11 Umidade da madeira Diagrama resistência X densidade Fonte Hortegal 32 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA A determinação da densidade é feita utilizando o corpo de prova estabilizado ao ar corrigindose os resultados obtidos para a densidade correspondente à umidade de 12 O diagrama de Kollmann apresenta uma relação entre a umidade e a densidade da madeira Dessa maneira a determinação da densidade da madeira que é realizada com corposdeprova estabilizados ao ar é corrigida para o teor de 12 através deste diagrama Figura 12 Diagrama de Kollmann Fonte Logsdon 1998 apud Calil 2003 33 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Densidade aparente A Determinação Empírica da Densidade Aparente é através do mergulho em água Mergulhase em uma proveta cheia de água uma barra de madeira de seção uniforme L Comprimento total da barra L Comprimento da barra submersa Figura 13 Determinação empírica da densidade aparente Fonte Hortegal 34 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Concluise que a densidade aparente da madeira pode ser determinada a partir da relação entre o comprimento submerso pelo comprimento total da barra Logsdon em 1998 empregando espécies crescidas no Brasil propôs uma expressão para representar a influência da umidade na densidade aparente Sendo que e 100 35 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA p12 é o densidade aparente à umidade de 12 gcm3 Pu é a densidade aparente à umidade de U gcm3 U é a umidade da madeira no instante do ensaio é o coeficiente de retratibilidade volumétrico é a retração volumétrica para umidade variando entre U e 0 Vu é o volume do corpodeprova com umidade de U cm3 Vs é o volume do corpodeprova com umidade de 0 cm3 36 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA MADEIRA Exemplo 3 Utilizando a expressão proposta por Logsdon estimar a densidade aparente a 12 de umidade de uma amostra de madeira para a qual ρ 080 gcm3 a 19 de umidade Dado 048