Características das Madeiras Classificação e Formação - Notas de Aula

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE FURG DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E CONSTRUÇÃO DMC ESTRUTURAS METÁLICAS E DE MADEIRA Prof. JOAQUIM VAZ NOTAS DE AULA MADEIRAS E SUAS CARACTERÍSTICAS 2002 ESTRUTURAS DE MADEIRA 1. INTRODUÇÃO A madeira é um material orgânico, de origem vegetal, de grande utilização na construção civil. É matéria prima praticamente inesgotável dado que se encontra em contínua formação aos milhões de metro cúbicos, em todas as partes do mundo, na forma de árvores e arbustos lenhosos, em florestas naturais ou em florestas artificiais resultantes de reflorestamentos. As árvores têm sua classificação botânica entre os vegetais do mais alto nível de desenvolvimento e da mais elevada complexidade anatômica e fisiológica. As árvores são botânicamente classificadas na divisão das plantas Fanerogamas, as plantas superiores propriamente ditas. Dentro da divisão das Fanerogamas tem-se as Gimnospermas e Angiospermas. A classe mais importante na subdivisão das Gimnospermas é a das Coníferas, conhecidas na literatura internacional como árvores de madeira macia (soft woods). As coníferas são árvores de folhas em forma de escamas ou agulhas, geralmente perenes e resistentes mesmo ao inverno mais rigoroso. São árvores típicas de climas frios, das zonas temperadas e frígidas, mas há também espécies consideradas como tropicais. Como exemplo das árvores coníferas temos o Pinho-do-Paraná (Araucária Augustifólia - Brasil), Pinus Elliottí (Slash Pine - USA), Pinus Taeda (Loblolly Pine - México) e o Pinus Hondurensis, muito usado em reflorestamentos no Brasil. As Angiospermas são plantas mais completas e organizadas que as Gimnospermas e se dividem nas Monocotiledôneas e nas Dicotiledôneas. As Monocotiledôneas não são árvores propriamente ditas, nesta divisão estão as Palmas e as Gramíneas. Muitas Palmas são importantes por seus frutos. O Bambu é classificado entre as Gramíneas, não é madeira no sentido usual da palavra, mas tendo em vista sua boa resistência mecânica associada a sua baixa densidade, presta-se para a construção leve, típica de moradias no Oriente. Prof. Joaquim Vaz As Dicotiledôneas são árvores frondosas, designadas na literatura internacional como árvores de madeira dura (hard woods). Possuem folhas achatadas e largas, geralmente caducas. É bastante grande o número de espécies diferentes de árvores frondosas, principalmente nas zonas tropicais. Como exemplo, pode-se citar a aroeira, combarú, massaranduba, ipê, cabriúva, guarantã, sucupira, pau marfim, peroba, cavúna, jacarandá, canela, imbuia, cedro, mogno, jequitibá etc. O Eucalipto é a Dicotiledônea que mais se adaptou ao reflorestamento no Brasil. Originário da Austrália, aclimatou-se ao sul do país com ampla utilização em postes, estacas, dormentes e etc. As madeiras duras de melhor qualidade são denominadas de madeiras de lei. Na atual situação do desenvolvimento industrial, a maior parte da madeira consumida na fabricação de chapas de madeira aglomerada, chapas de fibras de madeira ou na fabricação de celulose e papel é proveniente de árvores de espécies selecionadas, plantadas com a finalidade de atender a essa utilização específica. As árvores são abatidas dentro de uma programação, geralmente entre os quatro e oito anos de idade. Para utilização da madeira na forma de estacas, postes e dormentes as árvores devem atingir no mínimo 15 anos de idade. Todavia, mesmo entre as espécies mais promissoras e com a melhor técnica de silvicultura, dificilmente a árvore com menos de 30 anos de idade poderá produzir boas peças de madeira serrada para estruturas. 2. FISIOLOGIA E CRESCIMENTO DA ÁRVORE Para entender a natureza anisotrópica da madeira é conveniente conhecer a fisiologia e o crescimento da árvore. A árvore cresce inicialmente segundo a direção vertical. Cada ano, como mostra a figura 1, há um novo crescimento vertical e a formação de camadas sucessivas que vão se sobrepondo ano após ano ao redor das camadas mais antigas. Em corte transversal essas camadas de crescimento aparecem como anéis de crescimento. Examinando a seção transversal de um tronco de árvores, mostrada na figura 2, observa-se uma sucessão de camadas de dentro para fora nomeadas a seguir: Prof. Joaquim Vaz 4 Figura 1 5 ANOS 7 ANOS 8 ANOS 10 ANOS 12 ANOS 15 ANOS 3 ANOS 3 ANOS 7 ANOS 7 ANOS 15 ANOS EMBUTE Figura 2 lenho casca medula Prof. Joaquim Vaz 4 5 • Medula - resultante do primeiro crescimento vertical da árvore, geralmente formada por madeira macia e defeituosa; • Lenho - conjunto dos todos os anéis de crescimento. No lenho tem-se o alburno, camada formada pelas células ativas da madeira, responsáveis pelo crescimento da árvore, e o cerne, camada de células inativas que têm a função de sustentação da árvore; • Casca - é a proteção externa da árvore, formada por uma camada externa morta, de espessura variável com a idade e as espécies, e uma fina camada interna, o câmbio, de tecido vivo e macio, difícilmente visível, mesmo ao microscópio, onde se originam os elementos anatômicos que vão constituir o lenho e a casca da árvore. A água e os sais minerais que constituem a seiva bruta, retirada do solo através das raízes, veja figuras 3, 4 e 5, sobe pela camada periférica do lenho, o alburno, até as folhas, onde juntamente com o gás carbônico do ar e sob ação clorofiliana e da luz solar, transforma-se em seiva elaborada descendo pela parte interna da casca, denominada floema ou camada liberiana, até as raízes, promovendo a alimentação das células vivas da árvore, assim permitindo o crescimento e multiplicação das mesmas. CO2 + 2 H2O + 112,3 cal -> CH2O + H2O + O2 gás carbônico água calorias da madeira vapor oxigênio do ar do solo radiação solar Parte da seiva elaborada, não utilizada na produção e alimentação de células vivas na árvore, é conduzida radialmente para o centro da árvore (lenho), através dos raios medulares. As substâncias não utilizadas pelas células como alimento são lentamente armazenadas no lenho, tendem a se polimerizar, endurecendo e escurecendo o lenho. A parte do lenho tomada por esta substância é designada por cerne. Normalmente é mais densa, menos permeável a líquidos e gases, sendo resistente ao ataque de fungos apodrecedores e de insetos. Também apresenta maior resistência mecânica. O alburno, constituído pelo conjunto das camadas externas, mais novas do tecido do tronco da árvore, necessariamente é permeável a líquidos e gases, é menos denso e está sujeito ao ataque de fungos apodrecedores e insetos e tem menor resistência mecânica. Por Prof. Joaquim Vaz 5 6 outro lado, o alburno é mais suscetível a tratamentos de impregnação com resinas e adesivos sintéticos que buscam melhorar as características físicas e mecânicas da madeira. OXIGÊNIO Figura 3 Prof. Joaquim Vaz 6 As camadas do lenho não se desenvolvem uniformemente durante o ano. Na primavera e no verão forma-se células maiores, mas com paredes finas. No outono e inverno formam-se células menores, mas apresentando paredes mais espessas. Este fenômeno permite que se tornem distintas as camadas de crescimento anuais, sendo possível avaliar a idade da árvore abatida por seus anéis de crescimento. MADEIRA DE OUTONO CASCA FLOEMA RAIOS MEDULARES ..., ANÉIS DE CRESCIMENTO ANUAL Figura 4 7 PROF. JOAQUIM VAZ ENERGIA LUMINOSA A energia contida em vários minérios é reservada pelas raízes e depois é processada por diversas ações ao longo da planta, ativando as madréporas. Células da folha Luz 6CO 2 GLICOSE () + 6O 2 CLOROPLASTO Figura 5 3. CARACTERÍSTICAS DA MADEIRA A madeira é um material muito complexo, sendo quase impossível examinar sua constituição molecular como um todo. Assim, é necessário saber das substâncias que a constituem. Parte preponderante das características físicas e de resistência mecânica das madeiras têm sua razão de ser na estrutura molecular da celulose e da lignina que, juntas, representam cerca de 90% das substâncias componentes da madeira 8 PROF. JOAQUIM VAZ 3.1. CONSTITUIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA CONÍFERAS DICOTILEDÔNEAS CELULOSE 71-82% 65-76% LIGNINA 26-30% 26-35% CELULOSE - a celulose é um polímero constituído por várias centenas de glicoses, formando cadeias de até 3000 elementos. Monosacarídio CO + 2 H 2 O + 112,3 cal ⇒ CH 2 O + H 2 O + O 2 Os monosacarídios CH2O unem-se, formando moléculas maiores, polissacarídios, entre os quais destacam-se a d-glicose e a β-d-glicose. d-glicose (C monosacarídios em solução com estrutura linear Figura 5a β-d-glicose ( C H 2 O ) - polissacarídios em solução em forma de anel H - C - OH OH C I OH H - C - OH Figura 5b H C H OH H C H 9 PROF. JOAQUIM VAZ As moléculas de β-d-glicose unem-se formando moléculas mais complexas. Cada união corresponde a perda de uma molécula de água, transformando a unidade β-d-glicose em glicose-d-anidra. OH | H - C - H | I O - O - C - H H - C - O - C - H H H - C - O - OH | -> C | OH -> | OH C | C H - C - H | | C | OH UNIDADE BÁSICA DA CELULOSE - 2 (C6H10O5). + glicose-d-anidra As cadeias de celulose, com mais de 3000 elementos {n[2(C6H10O5)]}, ligam-se lateralmente por ligações de hidrogênio, formando as micelas que são os elementos da estrutura dos derivados da celulose, entre eles a madeira e o algodão. O algodão é a celulose pura. Cadeia de celulose - ~ ligação de hidrogênio O H | | - - H O (entre cadeias de celulose) Cadeia de celulose Figura 7 10 Prof. Joaquim Vaz