Testes em Madeira

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

A madeira é um material onipresente que tem sido usado na construção desde os primeiros tempos. A madeira é um material renovável e sustentável com grande valor estético. Hoje, provavelmente há mais edifícios construídos com madeira do que qualquer outro material estrutural. Muitos desses edifícios são residências de família única, mas muitos edifícios de apartamentos maiores, bem como edifícios comerciais e industriais, também usam enquadramento de madeira.

O uso generalizado de madeira na construção civil tem apelo tanto econômico quanto estético. A capacidade de construir edifícios de madeira com uma quantidade mínima de equipamentos manteve o custo de edifícios de marcenários competitivos com outros tipos de construção. Por outro lado, onde considerações arquitetônicas são importantes, a beleza e o calor da madeira exposta são difíceis de combinar com outros materiais.

Os objetivos deste experimento são realizar testes de tração e compressivo em três tipos de madeira para investigar seu comportamento de tensão e realização de um teste de dobra de quatro pontos em um feixe de madeira para verificar seu desempenho flexural. Em um teste de dobra de quatro pontos, um feixe de suporte simples é carregado com duas cargas de pontos iguais em seu terceiro ponto, resultando em uma porção central com momento constante e tesoura zero. Este é um teste importante porque elementos estruturais de madeira são frequentemente usados em sistemas de piso e, portanto, são carregados principalmente por tensões de dobra.

A madeira é composta de células alongadas, redondas ou retangulares semelhantes a tubos. Estas células são muito mais longas (2-4 mm) do que são largas (20-40 μm), com o comprimento das células frequentemente relacionadas com o comprimento da árvore. As paredes celulares são feitas de celulose (um polímero), com correntes poliméricas alinhadas em direções distintas em cada uma das camadas que formam a parede celular. A parede do meio, com suas correntes alinhadas ao longo da dimensão mais longa da célula, fornece a maior parte da força para a célula, enquanto as cadeias diagonais da parede interna e externa proporcionam estabilidade. A estrutura da parede celular é semi-cristalina, com estruturas cristalinas de 30-60 μm de comprimento, seguida por seções amorfas curtas. As correntes e as células são unidas por um material conhecido como lignina. Cada célula é relativamente fraca, mas o efeito de agrupamento de muitas células juntas fornecidas pela lignina resulta em um material de construção muito forte e útil. Uma boa analogia para isso é a resistência de um único canudo de beber versus o de muitos canudos colados ou amarrados.

O fato de a madeira ser um material biológico torna-a muito suscetível à decadência ambiental e ao ataque por pragas se for exposta aos elementos. Assim, grande parte da madeira usada hoje é pré-tratada com produtos químicos para protegê-la do meio ambiente e ataque de insetos. Essa madeira é um material biológico também significa que há uma grande variação nas propriedades de engenharia entre pedaços de madeira, mesmo dentro da mesma espécie de árvore. Um grande número de imperfeições inevitavelmente estará presente, tornando a madeira um material inhomogêgênio. Esses defeitos são resultado de nós, onde uma parte de um galho ou membro foi incorporada ao corpo principal da árvore. Consequentemente, grandes fatores de segurança, ou razões de força de projeto para força final real, são usados no design de madeira. Os valores típicos para fatores de segurança na madeira são de 2,5 para membros em dobra, e os códigos de design são calibrados de tal forma que 99% dos membros terão pelo menos um fator de segurança de 1,25.

A composição celular de madeira faz dele um material ortotrópico. Assim, as propriedades serão diferentes se o material for carregado paralelamente ou perpendicular ao lado longo das células. Esta propriedade significa que a teoria usual da elasticidade não pode ser usada diretamente, pois o material não é isotrópico (mesmas propriedades em todas as três direções), mas ortotrópico (propriedades distintas em duas direções: longitudinal e transversal à direção celular mais longa). A maquiagem celular também significa que o teor de umidade da madeira é um parâmetro chave para determinar sua força. Ambos os fatores seriam muito complexos para uso no design cotidiano, de modo que o design da madeira para fins estruturais é baseado na teoria linear e tensões permitidas determinadas pela seguinte abordagem:

1. Uma análise estatística de um grande número de valores de força de clearwood (ou livre de defeitos) para as várias espécies comerciais é realizada. As tensões nominais baseiam-se em 95% dos valores sendo maiores, sendo 5% inferiores à força nominal final.
2. Os valores são corrigidos para contabilizar o teor de umidade, pois esse fator afeta muito a maioria das propriedades de engenharia da madeira. A umidade na madeira consiste principalmente de água livre nas cavidades celulares e água ligada nas paredes celulares. Quando a madeira é seca, é fácil remover água livre, mas muito mais difícil de remover água encadernada. O teor de umidade no qual a água começa a ser removida da parede celular é chamado de ponto de saturação de fibras (FSP). Em geral, reduções na umidade resultam em aumento de força, particularmente à medida que o nível cai abaixo do FSP. A madeira em sua condição verde (ou recém-cortada) terá um grande teor de umidade (mais de 100% para espécies como balsa) e não começará a ganhar força significativa até que seu teor de umidade caia abaixo do FSP, que varia de 22% a 30% para a maioria das espécies. Considera-se que a madeira foi verde (ou cortada em condições úmidas) quando seu teor de umidade é superior a 19%, e superfíciemente seca se abaixo desse limite. A madeira seca a ar terá um teor de umidade em torno de 12%-15%, enquanto a madeira seca de forno está abaixo de 10%. A madeira só é seca se necessário para aplicações especiais, como móveis; para a maioria das aplicações estruturais comuns a secagem de ar é suficiente.
3. As relações de força são usadas em seguida para ajustar os valores de clearwood, a fim de explicar os defeitos de redução de força permitidos em um determinado grau de estresse. As notas de estresse, uma medida da qualidade da madeira de engenharia, são geralmente atribuídas com base em uma inspeção visual rápida, ou a partir de testes de dobra executados na linha de produção. Neste último caso, a rigidez é proporcional ao módulo de elasticidade, e isso é então correlacionado à força. As propriedades comumente dadas para a maioria das madeiras são o estresse de dobra permitido (F_b),cisalhamento horizontal (F_v),compressão paralela ao grão (F_c),compressão perpendicular ao grão (F_c),e o módulo de elasticidade (E). Além das propriedades básicas de orientação específicas de uma espécie de madeira, deve ser evidente que nem todas as florestas se comportam da mesma maneira sob carga. Madeiras mais macias, como abeto, pinheiro ou abeto, são relativamente baratas e, portanto, são usadas predominantemente para fins estruturais em estruturas de estruturas leves. Madeiras mais duras, como carvalho ou hickory, têm uma taxa de crescimento e padrão diferentes, tornando a floresta mais difícil de reabastecer, ao mesmo tempo em que lhes dá características superiores para certas aplicações de construção.

É importante notar que grandes alterações volumosas estão associadas a reduções no teor de umidade. O encolhimento resultante da secagem também não é uniforme. Por exemplo, para Douglas abeto, a retração radial é de 4,8%, a retração tangencial é de 7,6%, e a retração volumosa é de 12,4%. Como a madeira é um material polimérico, também é propensa a rastejar, ou à deformação viscosa contínua sob carga constante. Como resultado, a madeira geralmente pode suportar tensões muito maiores se a duração do carregamento for curta. Um fator de duração da carga é usado para explicar esse comportamento. Se as durações de carga forem curtas, como 10 minutos ou menos para o caso de cargas de terremotos e grandes tempestades de vento, os valores de projeto podem ser multiplicados por 1,6 porque a duração da carga é curta o suficiente para que nenhum arrepio considerável possa ocorrer.

Outros fatores de correção comumente utilizados são o fator tamanho, o fator membro repetitivo e o fator de forma. O fator de tamanho explica o fato de que a maioria dos dados de madeira é gerada a partir de testes de feixe raso, com menos de 12 polegadas de profundidade, e é sabido que a força média diminui à medida que o tamanho do membro aumenta devido à presença de defeitos (o chamado tamanho effect). O fator repetitivo é usado para explicar o fato de que os membros da madeira são frequentemente usados em proximidade uns com os outros e são amarrados por diafragmas e coletores do chão, de modo que a fraqueza ou falha de um membro individual não leva a um colapso desproporcional (ou seja, falhas serão localizadas). Finalmente, a proporção (profundidade/espessura) de um membro também afeta os resultados dos testes. Todos esses fatores de correção são basicamente empíricos, mas justificados com base em estatísticas de resultados de testes laboratoriais e experiência de desempenho na área.

As propriedades ortotrópicas da madeira podem ser amenizadas pela criação de laminados, como o compensado, onde camadas com fibras alinhadas em direções perpendiculares resultam em um material isotrópico. Da mesma forma, os membros feitos de tiras finas de fibras alinhadas na mesma direção e coladas sob pressão, ou cola laminada (glulam), derivam sua força da distribuição de defeitos.

Teste de compressão

1. Obtenha espécimes de cubos de compressão nominal de 3-1/2" de três madeiras diferentes (pinheiro sul, abeto e carvalho, por exemplo). Os cubos podem ser cortados de uma seção 4x4, mas devem ser de madeira clara. Certifique-se de que as superfícies devem ser paralelas umas às outras. Um conjunto de amostras deve ser testado com a carga aplicada paralelamente ao grão, e o outro conjunto de amostras deve ser testado com a carga aplicada perpendicular ao grão. O número de repetições de teste dentro de um conjunto depende dos limites de confiança desejados. Apenas um teste por conjunto será executado como parte deste laboratório, pois seus objetivos são demonstrar as técnicas e não desenvolver grandes conjuntos de dados robustos para o projeto de engenharia.
2. Meça as dimensões transversais (largura e espessura) de cada amostra de teste até os 0,002 in mais próximos. Meça o comprimento total (na direção do carregamento) para as amostras de compressão. Como os espécimes podem variar ligeiramente em dimensões ao longo de seu comprimento, tomar várias medidas e registrar a média aproximada para cada dimensão medida.
3. Depois de configurar a máquina de teste universal (veja o primeiro manuscrito nesta série: Materiais Constantes), centralize cuidadosamente a amostra na placa de compressão e baixe a cabeça cruzada até que uma pequena carga seja aplicada. Use os controles finos para retirar a carga o mais próximo possível de zero.
4. Aplique a carga compressiva lentamente com uma taxa de carregamento entre 20 psi e 50 psi por segundo.
5. O teste de compressão pode continuar por vários minutos com a carga continuamente aumentando e com uma tensão significativa vista no espécime. Continue o teste até que uma carga máxima seja obviamente atingida.
6. Regisso máximo da tela.
7. Repita para todos os espécimes, ambos com espécimes paralelos e perpendiculares ao grão.

Teste de tensão

1. Obtenha espécimes de osso de cachorro de três madeiras diferentes (pinheiro sulista, abeto e carvalho, por exemplo). Um conjunto de amostras deve ser testado com a carga aplicada paralelamente ao grão, e o outro conjunto de amostras deve ser testado com a carga aplicada perpendicular ao grão. Observe que estes não são o tipo de amostra necessário para testes ASTM em madeira, pois a intenção é demonstrar o comportamento da tração e não desenvolver um banco de dados para o projeto.
2. Prossiga normalmente com a máquina de teste de tensão usual (veja o segundo manuscrito nesta série: Testes de Tração em Aço).

Teste de dobra

1. Obtenha um 2x4 cerca de 24 em. longo de pinheiro sulista denso.
2. Instale um aparelho de teste de dobra de quatro pontos na máquina de teste universal (Fig. 1).

Figura 1: Aparelho de dobra de quatro pontos.

3. Inicie a máquina de testes e o software associado. Certifique-se de que o software está definido para capturar a carga máxima e registrar as cargas e valores de crosshead.
4. Instale o 2x4 no aparelho e baixe a cabeça superior até que o aparelho comece a fazer contato com a viga de madeira.
5. Aplique a carga lentamente (cerca de 2000 lbs por minuto) até que o feixe frature (Fig. 2).

Figura 2: Falha flexural do feixe de madeira.

6. Regisso recorde a carga de falha.

Os resultados dos testes de compressão, tensão e dobra estão resumidos na Tabela 1. Como mostrado consistentemente por todos os resultados, o carvalho é a madeira mais forte, seguido por abeto e pinheiro sul.

Tabela 1: Resumo do teste de madeira

Tabela 2: Dados normalizados

A Tabela 2 apresenta os mesmos dados da Tabela 1, mas normalizada à força do material de carvalho. Para as duas propriedades mais importantes, força de dobra e compressão paralela ao grão, o abeto parece ser cerca de 87% e o pinheiro sul cerca de 78% tão forte quanto o carvalho. Dado o grande diferencial de preço entre as madeiras, parece que o pinheiro sul, como o mais barato deles, é uma escolha muito eficiente.

A madeira é um material sustentável e natural que exibe propriedades ortotrópicas. Em outros laboratórios, materiais como metais, polímeros e concreto foram testados em tensão ou compressão com a suposição de que o material age isotropicamente, o que significa que sua resistência a uma determinada carga é a mesma, independentemente da orientação do material. O aço, por exemplo, tem uma miríade de grãos orientados aleatoriamente na micro escala, dando-lhe propriedades homogêneas e isotrópicas na escala macro. No entanto, a madeira, com sua direção de grãos facilmente identificável, não age isotropicamente. Assim, um designer deve considerar cuidadosamente os carregamentos antecipados em um membro da madeira ou estrutura para garantir a máxima eficácia do material. Além disso, devido à sua origem natural, a madeira possui propriedades mecânicas ligadas às espécies individuais de árvores, ao teor de umidade e ao tamanho da amostra de teste.

Até recentemente, as estruturas de madeira eram limitadas a três ou quatro andares em um apartamento ou pequeno edifício de escritórios. Desenvolvimentos de madeira transversal, painéis de madeira constituídos por camadas orientadas em ângulos retos entre si e depois colados, resultaram no desenvolvimento de sistemas estruturais capazes de atingir 8 ou mais andares. Edifícios muito mais altos, na ordem de 20 andares, ainda estão em desenvolvimento.