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Propriedades da Madeira
Prof. Gavassoni
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2.1 Introdução
Madeiras duras:
Giardino di Boboli, Firenze, IT
Árvores “frondosas” – Angiospermas – grupo de plantas com sementes formadas dentro de um ovário desenvolvido (fruto)
Crescimento lento: Peroba, Ipê, aroeira, carvalho
As madeiras duras de melhor qualidade são as chamadas madeiras de lei.
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2.1 Introdução
Peroba:
madeireiracarapo.webnode.com.br
www.panoramio.com
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2.1 Introdução
Ipê:
flores.culturamix.com
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2.1 Introdução
Carvalho:
houseandgardenningaddicts.wordpress.com
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2.1 Introdução
Madeiras macias:
Ostia Antica, Itália
“Coníferas” – grupo mais representativo das gimnospermas –grupo de plantas com sementes não encerradas dentro de um ovário desenvolvido (fruto)
Crescimento rápido: Pinheiros
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2.1 Introdução
Floresta da Suíça Bohemia, República Tcheca
Madeiras duras x macias
Uma madeira dura não é necessariamente um material mais duro (mais denso) e uma madeira mole não precisa ser um material mais mole (menos denso). Por exemplo, a madeira balsa é uma das madeiras mais leves e menos densas que existe, e é considerada madeira dura. um exemplo oposto é o do teixo que sendo uma madeira macia é muito mais dura do que a maioria das madeiras consideradas duras.
Também não se distinguem propriamente pela resistência, nem mecânica, nem ao processamento, e sim pela estrutura celular dos troncos.
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2.1 Introdução
As árvores que produzem madeira de construção crescem pela adição de camadas externas, sob a casca:
Casca: externa
(morta) e interna
(floema) Alburno – células
vivas (xilema) – 3
a 5 cm
Cerne – alburno
morto –
sustentam o
tronco
Medula – tecido
macio
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2.1 Introdução
Madeira de construção de preferência deve vir do cerne;
A madeira do alburno é mais higroscópica que a do cerne;
A madeira do alburno é portanto mais sensível ao ataque de fungos;
A madeira do alburno “aceita” melhor a aplicação de agentes protetores.
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Ementa
1. Introdução
2. Microestrutura da Madeira
3. Propriedades Físicas
4. Defeitos
5. Madeiras de Construção
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2.2 Microestrutura da Madeira
Gesualdo, 2003
As células da madeira, constituem fibras, que sãocomo tubos de paredes finas alinhados na direçãolongitudinal (axial do tronco)
Seção Transversal - Pfeil e Pfeil, 2014
Nas coníferas as fibras tanto tem função de transporte como autoportante.
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2.2 Microestrutura da Madeira
Gesualdo, 2003
As células da madeira, constituem fibras, que são como tubos de paredes finas alinhados na direção longitudinal (axial do tronco)
Seção Tangencial - Pfeil e Pfeil, 2014
Extremidades Permeáveis e perfurações laterais das fibras.
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2.2 Microestrutura da Madeira
As Angiospermas (madeira dura) apresentam fibras fechadas, ou seja, apenas com função
autoportante.
A estrutura celular da madeira constitui a base
da excelente razão resistência /peso da
madeira
Raven et al., 2013
Ocas e cantos arredondados e encaixadas
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2.2 Microestrutura da Madeirawww.japlusu.com
boasnoticias.pt
www.nasa.gov
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2.2 Microestrutura da Madeira
Composição Química Compostos químicos:
50% celulose (reforço das paredes celulares)
20-25% hemicelulose20-30% lignina – “cola” das células. (rigidez e
resistência à compressão)
Sais mineirais (cinzas), resinas, óleos, ceras, etc.
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2.3 Propriedades Físicas
A madeira é um material anisotrópico
As propriedades mudam com a direção
Por quê?
Raven et al., 2013
Estrutura fibrosa.
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2.3 Propriedades Físicas
3 direções principais da madeira:
Em função dos tipos de madeira utilizadas na construção civil, raramente se tem
necessidade de diferenciar as propriedades nas direções radial e tangencial.
Gesualdo, 2003
pauleira.com.br
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2.3 Propriedades Físicas
3 direções principais da madeira:
A direção longitudinal, é chamada de direção das fibras principais, ou direção principal.
Gesualdo, 2003
Basta diferenciar a direção longitudinal da direção transversal às fibras principais.
www.acrisoft.com
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2.3 Propriedades Físicas
Umidade: Grande importância sobre as propriedades
U – Grau de umidade
Pi – peso inicialPs- peso seco em estufa (até
estabilizar)100.(%)
s
si
P
PPU
−=
A umidade está presente na madeira de duas formas:
Água no interior das fibras (água livre);
Água absorvida nas paredes das fibras (água de ligação) – pontes de hidrogênio;
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2.3 Propriedades Físicas
U – Grau de umidade
A faixa de umidade das madeiras verdes varia de espécie para espécie –30% a 130%
Toda água do interior das fibras é evaporada, as paredes ainda estão saturadas – Ponto de
saturação
Ponto de saturação
Madeira verde
Madeira meio seca
Ponto de equilíbrio entre a umidade da madeira e a umidade relativa do ar – Madeira seca ao ar
Madeira seca
ao ar
Não há variação de volume
O ponto de saturação varia com a espécie a média é de 30%
Umidade da madeira viva
Não há variação das propriedades mecânicas
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2.3 Propriedades Físicas
U – Grau de umidade
O ponto de equilíbrio varia com a umidade do ar, por exemplo entre 10 e 20% para umidade relativa do ar entre 60 e 90%.
Ponto de saturação
Madeira verde
Madeira meio seca
Madeira seca
ao ar
Utiliza-se então um grau de umidade padrão – 12% (NBR 7190/97)
Devido a natureza higroscópica (capacidade de absorver água) o grau de umidade de uma peça de madeira em serviço pode variar até mesmo diariamente.
Mudança de volume
Umidade da madeira viva
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2.3 Propriedades Físicas
U – Grau de umidade
Piazza et al.,2014
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2.3 Propriedades Físicas
U – Grau de umidade
Diminuindo o U abaixo do ponto de saturação há ganho das propriedades mecânicas (resistência) da madeira.
O pico no aumento da resistência se dá para um valor de U em torno de 10-15%.
Para U menores ao valor correspondente ao pico, a resistência permanece constante.
A madeira pode ser seca para aumentar a resistência num processo controlado artificialmente, mas isso eleva o valor da mesma.
Existem medidores portáteis do grau de umidade da madeira.
www.tramexltd.com
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2.3 Propriedades Físicas
Vantagens da secagem da madeira
Menor peso no transporte.
Melhoria do resultado de acabamentos (tintas, vernizes, etc.)
Redução da probabilidade do ataque de fungos.
Aumento das propriedades de Engenharia do material.
Retração leva a possíveis problemas nas ligações, empenamentos, caso a madeira seja implantada sem secagem.
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade
Retração ou inchamento com variação da umidade entre 0% e o ponto de saturação.
O fenômeno é mais acentuado na direção tangencial: 5 a 10% da dimensão verde;
A retração radial é cerca da metade da tangencial
A retração longitudinal: 0,1 a 0,3% da dimensão verde.
A retração (inchamento) volumétrica é dada pela soma das 3 retrações lineares principais. (Deformação
volumétrica para pequenas deformações)
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade
Gesualdo, 2003
Pfeil e Pfeil, 2014
Exercício 2.1
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade
O comportamento do material (madeira) tem de serconhecido para ser bem usado.
Não é um material de propriedades “permanentes” –significantes mudanças nas dimensões podem ocorrerem serviço em função das condições atmosféricas.
Mesmo que estimativas de retração não sejamcalculadas, o projetista deve permitir que as mudançasvolumétricas ocorram.
Por isso uma das questões básicas no projeto é apossibilidade da ruptura por tração da madeira.
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade
A madeira tem baixa resistência à tração na direçãoperpendicular às fibras
A retração é muito maior na direção perpendicular àsfibras que na longitudinal.
O detalhamento das ligações deve ser cuidadoso parapermitir movimentações e não deixar que sujamtensões.
Além de questões de resistência deve-se atentar paraos efeitos da retração na utilização da estrutura.
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade
Considere o exemplo do exercício 2.1:
Imagine se uma treliça, cobertura, telhado esteja apoiada numaextremidade numa estrutura porticada de madeira e na outra numaparede de alvenaria ou estrutura de concreto.
Uma extremidade sofrerá um abaixamento de 2,1 cm e a outra não.Movimentação diferencial.
Ou considere que uma parte do fechamento lateral não é de paneisde madeira – caixa da escada, área molhada, etc.. -> Movimentaçãodiferencial numa distância mais curta.
Mesmo quando a retração é uniforme (toda construção emmadeira), acabamentos, fechamentos laterais, encanamentos,sistemas de aquecimento, sistemas elétricos devem permitir eacomodar a movimentação da estrutura.
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade
Uma vez que as diferenças de grau de umidade produzemdiferenças nas dimensões das peças de madeira, qual dimensõesusamos?
E qual valor da área da seção transversal? Do momento deinércia?
O dimensionamento é feito para o valor de referência da madeiraseca ao ar.
A NBR 7190/97 estabelece o valor de 12%
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2.3 Propriedades Físicas
Retratibilidade Volumétrica
Coeficiente de retratibilidade
100.(%)sec
sec
a
asatV
V
VV −=ε
sat
VvU
εδ =
Exprime a porcentagem de retração que se verifica para cada 1% nos teores abaixo do Ponto de Saturação.
Piazza et al.,2014
Tangencial Radial Longitudinal
Macia 0,24 0,12 0,01
Dura 0,40 0,20 0,01
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2.3 Propriedades Físicas
Coeficiente de Retração
Piazza et al.,2014
Na prática despreza-se o valor longitudinal e se pode usar, a favor da segurança os valores tangenciais para
os valores transversais.
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2.3 Propriedades Físicas
Valores de U comumente aceitáveis para o uso da madeira.
Piazza et al.,2014
Condições Umidade (%)
Níveis CríticosInício das retrações significativas apr. 30
Valor mínimo com secagem ao ar apr. 15
Nível admissível de segurança contra ataques de fungos apr. 20
Elementos protegidos das intempériesLocais aerados e com muito aquecimento no inverno 10+-2
Locais aerados e com pouco aquecimento no inverno 13+-2
Locais aerados e sem aquecimento no inverno 15+-2
Sem fechamento lateral 17+-5
Elementos parcialmente protegidos das intempéries
Seções pequenas, forte irradiação solar 14+-5
Seções pequenas, fraca irradiação solar 16+-4
Seções médias, forte irradiação solar 12+-4
Seções médias, fraca irradiação solar 15+-4
Elementos diretamente expostos às intempériesSeções grandes, não superficiais 18+-6
Seções grandes, superficiais 20+-8
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2.3 Propriedades Físicas
Influência da umidade na densidade aparente
A quantificação da influência da umidade na densidade aparente pode ser feita por ábacos ou equações
empíricas.
12
12
V
map =ρ Para um dado teor de umidade, no caso da
NBR 7190/97 – 12%
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2.3 Propriedades Físicas
Diagrama de Kollmann
Espécies de clima frio ou temperado
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2.3 Propriedades Físicas
Equação de Logsdon (1998)
Espécies Brasileiras
( )
−−+=
100
12112
Uvuu δρρρ
A NBR 7190/97 não indica o procedimento de correção da umidade aparente
Exercício 2.2
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2.3 Propriedades Físicas
Dilatação Térmica Linear
Longitudinal: 0,3x10-5 a 0,45x10-5/oC
1/3 o do aço
Tangencial e Radial: 4,5x10-5/oC (duras) a 8,0x10-5/oC(macias) – varia com o peso específico da madeira
Um aumento de temperatura sob mesma umidade relativa do ar leva a uma retração da madeira
A retração é em geral maior que a dilatação térmica – Em geral pode ser desprezada.
Atenção para o uso de outros materiais integrados às obras de madeira.
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2.3 Propriedades Físicas
Durabilidade
Sujeita a:
Ataque biológico
Ataques abióticos (sais, raios solares, fogo).
Se a madeira for usada de maneira apropriada pode ser um material permanente.
Se protegida (não exposta às intempéries ou sem contato com o solo) e em condições de baixa umidade
do ar (estruturas internas e cobertas) – não há necessidade de tratamento químico.
A madeira é durável se continuamente submersa em água doce limpa.
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2.3 Propriedades Físicas
Durabilidade
Contudo se o U varia continuamente, ou a madeira está em contato com o solo, há a necessidade de tratamento
químico.
Lugares úmidos, piscinas, telhados que aprisionam ar úmido (sem ventilação).
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2.3 Propriedades Físicas
Ataque Biológico
Fungos, insetos, moluscos e crustáceos
flagradeumabiologa.blogspot.com
Conhecido também como: teredo, turu ou cupim-
do-mar, trata-se de um molusco perfurador de
madeiras, com corpo alongado e vermiforme,
revestido por um tubo calcário que facilita usa
entrada inicial na madeira, do qual é seu
alimento, porém se alimenta também de
plâncton.
www.forumdaconstrucao.com.br
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2.3 Propriedades Físicas
Susceptibilidade ao ataque biológico depende de:
Parte do tronco de onde se extraiu a peça: alburno é mais susceptível que o cerne
Da espécie da madeira
Condições ambientais (umidade (U<20%), temperatura e oxigênio) – se não houver um dos 3, o apodrecimento é interrompido;
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2.3 Propriedades Físicas
Abióticos
Geralmente é resistente a ação química (sais);
Sensível a ação dos raios solares, combinada com outros agentes atmosféricos (umidade, temperatura,
vento e chuva) dá origem a um mecanismo de envelhecimento complexo – fotólise.
Degradação superficial por raios UV – degradação das moléculas de lignina e celulose.
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2.3 Propriedades Físicas
Fogo
Combustível – quanto maior o peso específico, mais combustível é.
Peças robustas se oxidam lentamente, guardando o núcleo íntegro (com propriedades mecânicas inalteradas) por um longo tempo;
Peças esbeltas e/ou com ligações metálicas – precisam de proteção contra o fogo (retardadores de fogo).
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2.4 Defeitos
Prejudicam a resistência, o aspecto ou a durabilidade:
Classificação quanto à origem:
1. Constituição do tronco
2. Processo de preparação da madeira
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2.4 Defeitos
Nós:
Imperfeições da madeira nos pontos onde existiam galhos.
Galhos vivos na época do abate produzem nós firmes: existia a continuidade dos anéis e fibras;
Galhos mortos na época do abate produzem nós soltos: O galho vai sendo englobado com casca e tudo no tronco – pode cair durante a serragem, produzindo orifícios;
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2.4 Defeitos
Nós
Desviam as fibras longitudinais – reduzem a resistência (+ à tração que compressão). Concentram tensões.
Efeito ornamental desejado.
mind42.com
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2.4 Defeitos
Nós de Pinho
www.contrabaixobr.com
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2.4 Defeitos
Fendas:
Aberturas nas extremidades das peças – secagem mais rápida da superfície;
Planos longitudinais-radiais, atravessam anéis de crescimento;
Evitados por secagem lenta e uniforme da madeira.
Retração tangencial é maior que a radial.
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2.4 Defeitos
Gretas ou ventas:
Separação entre anéis anuais, provocadas por tensões internas devido ao crescimento lateral da árvore ou ações externas (vento).
1 – greta parcial;2 – greta completa.
Pfeil e Pfeil, 2014
www.hobbithouseinc.com
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2.4 Defeitos
Fibras reversas:
Fibras não paralelas ao eixo da peça:
commons.wikimedia.org
Natural – por exemplo, presença de nós.
Processamento - Serragem em plano inadequado
Reduzem a resistência da peça
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2.4 Defeitos
Esmoada ou quina morta:
Canto arredondado, formado pela curvatura natural do tronco.
Menor resistência –maior quantidade de alburno,
virginiawoodflows.wordpress
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2.4 Defeitos
Lenho de reação:
Resposta morfogênica de um ramo ou caule inclinado para contrapor a força da gravidade.
Nas coníferas (madeira macia) olenho se desenvolve no ladoinferior da parte inclinada – lenhode compressão.
Nas gimnospermas (madeira dura)o lenho se desenvolve no ladosuperior da parte inclinada – lenhode tração.
www.contrabaixobr.comwww.contrabaixobr.com
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2.4 Defeitos
Empenamento e torção.
O lenho de compressão possui mais lignina e menos celulose que a madeira normal.
Durante a secagem a retração na direção axial é 10 vezes maior que a madeira normal
A diferença entre a contração da parte normal e da parte que contém o lenho de compressão de uma peça de madeira durante a secagem causa o seu empenamento e torção – madeira inútil – lenha.www.ebah.com.br
O lenho de tração provoca contrações menores, mas também provoca deformações excessivas na secagem
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2.4 Defeitos
Secagem:
Abaulamento: encurvamento na direção da largura da peça.
Arqueadura: encurvamento na direção longitudinal da peça.
Pfeil e Pfeil, 2014
Pfeil e Pfeil, 2014
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2.5 Madeiras de Construção
Tipos:
1 – Maciça: bruta ou roliça, falquejada e serrada;2 – Industrializada: Compensada, laminada e colada, recomposta.
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira roliça:
Troncos: estacas, escoramentos, postes e colunas.
Parque Tingui, Curitiba.
Espécies comuns: eucalipto e pinus.
Abate na estação seca – tronco com menor U
Remove-se a casca, e deixa-se o tronco secar em local arejado e abrigado do sol.
Secagem insuficiente ou inapropriada podem fazer com que as extremidades rachem – recomenda-se usar alcatrão ou imperbealizantes nas extremidades.
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira roliça:
Devem ser utilizadas nas condições meio seca ou seca ao ar.
Os diâmetros comerciais variam entre 15 e 28 cm.
www.madeireiragoiana.com.br
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira roliça:
As madeiras roliças com diâmetro variável (tronco de cone) devem ter o diâmetro de cálculo tomado a 1/3 do topo e consideradas cilíndricas. (NBR 7190/97)
3
minmaxmin
dddd
−+=
Pfeil e Pfeil, 2014
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira falquejada:
Obtida dos troncos com corte por machado: estacas, cortinas cravadas, pontes.
O processo é simples, mas as partes laterais são perdidas.
www.imperiumbrasil.com.br
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira falquejada:
Seção “retangular” de menor perda é um quadrado –64% da área inscrita
Pfeil e Pfeil, 2014
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira falquejada:
Seção com maior módulo resistente – 60% da área inscrita
Pfeil e Pfeil, 2014
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada:
Mais comum, limitações geométricas e potenciais defeitos de fabricação.
Abatimento na maturidade – cerne ocupa a maior percentagem do tronco, e na estação seca.
O desdobramento deve ser feito o mais cedo possível após o corte. Evitando efeitos de secagem,
Caso o corte se dê na estação chuvosa, deve-se deixar as toras secar por algum tempo.
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada:
Esquemas de corte:
O radial produz material mais homogêneo, mas é mais caro, e menos usado. As toras, por restrições de logística tem comprimento máximo entre 4 e 6 m.
Pfeil e Pfeil, 2014
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada:
Secagem e defeitos – dependem da posição
Pfeil e Pfeil, 2014 Secagem natural – empilhada com separadores – em galpões ventilados. 1-2 anos (macia) e 2-3 anos (dura)
www.madeireirafalsarella.com.br
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada: Corte incluindo a medula
www.madeireirafalsarella.com.br
Corte da metade de um tronco
Corte passando pela medula
Piazza et al.,2014
Qual tem maior probabilidade de sofrer fissuração?
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2.5 Madeiras de Construção
Tensões tangenciais
www.madeireirafalsarella.com.br
empuxo
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada: Corte incluindo a medula
www.madeireirafalsarella.com.br
Chanfro de alívio de fissuração
1/3-1/4 da altura -> não reduzir resistência
mecânica e ficar invisível na obra
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada:
Secagem artificial:a) Ar quente controlando umidade e temperatura;b) Deslocar a madeira por um túnel alongado, na qual
a temperatura do ar aumenta gradativamenteTempo: 10 dias – 1 mês por polegada (2,54 cm) de espessura.
www.madeireirafalsarella.com.brwww.zlsul.com.br
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada:
Dimensões comerciais – bitolas nominais em cm (ou polegadas)
Ex:
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira serrada:
Dimensões mínimas (NBR 7190/97) – evitar fendilhamento e flexibilidade exagerada:
www.madeireirafalsarella.com.br
Vigas e barras longitudinais de
treliças – exemplos de peças principais.
Pfeil e Pfeil, 2014
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira compensada: Lâminas finas coladas alternando o sentido (ortogonal) das fibras
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira compensada - Comportamento estrutural melhor que madeira maciça no estado plano de tensões (almas de vigas, chapas e placas).
Laminas de 1 a 5 mm são obtidas de toras ou peças retangulares. Secas ao natural ou artificialmente.
Coladas sob pressão. Compensados estruturais (sujeitos à intempéries) devem ser colados com cola sintética.
As chapas tem 2,50 x 1,25 m e espessura de 4-30 mm
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2.5 Madeiras de Construção
Vantagens da madeira compensada:
Dimensões maiores e menos defeitos.
Menor retração e inchamento (ortogonalidade das fibras);
Resistência mais uniforme.
Menos trincas na cravação de pregos.
Principal desvantagem – preço elevado.
Fabricação
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira laminada e colada: Lâminas coladas sob pressão formando vigas de seção retangular.
Lâminas (1,5 a 3 cm) coladas com fibras paralelas.
Pode-se colar as extremidades, formando peças com grande comprimento.
Preparo: secagem em estufa, preparo (aplainar e serrar nas dimensões necessárias), colagem sob pressão (não alinhadas), acabamento.
Existem também as emendas dentadas (mais eficiente)
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira laminada e colada
madeiralaminadacolada.com
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira laminada e colada
www.woodworkmachine.com.pt
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2.5 Madeiras de Construção
Vantagens da madeira laminada:
Dimensões maiores;
Melhor controle de umidade – menor retração;
Otimização das lâminas mais resistêntes em posições de maiores tensões.
Peças curvas
Principal desvantagem – preço elevado.
Contra-flecha
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2.5 Madeiras de Construção
Contra-flecha
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2.5 Madeiras de Construção
Contra-flecha
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2.5 Madeiras de Construção
Contra-flecha
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2.5 Madeiras de Construção
Contra-flecha
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2.5 Madeiras de Construção
Contra-flecha
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2.5 Madeiras de Construção
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Ginásio, Richmond, British Columbia, Canada
06/03/2015
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira microlaminada e colada: Finas lâminas coladas sob pressão formando vigas de seção retangular.
Lâminas (1 a 5 mm) coladas com fibras paralelas.
Mais homogêneo e resistente que madeiras compensadas e laminada.
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2.5 Madeiras de Construção
Madeira recomposta: Placas produzidas a partir de resíduos de madeira serrada e compensada.
Em geral não são consideradas material estrutural –propriedades mecânicas insuficientes.