Materiais e desempenho
Marco Antônio de Morais Alcantara
1)
Generalidades:
A madeira é um material de construção
de uso consagrado onde ela é conhecida e reconhecida como material de
construção permanente, exista tradição e conhecimento das técnicas construtivas
para a sua utilização racional, e também a sua ocorrência seja abundante.
BAUER(1992) apresenta como fatores
favoráveis para a sua utilização as seguintes:
- O material apresenta boa resistência
mecânica tanto à tração como à compressão.
- As técnicas construtivas utilizadas
são simples, exigindo o uso de ferramentas simples.
- A madeira apresenta boa resistência
aos impactos, devido à sua resiliência, quando comparado com outros materiais.
- A madeira não se desagrega diante de
um incêndio, como os materiais cerâmicos, nem perde a resistência como os
metais.
- O custo de produção da madeira não é
muito elevado.
Por outro lado, o material têm como
desvantagem as seguintes:
- O material é um bom combustível.
- O material é bastante sensível às
variações de umidade, com o surgimento de tensões internas.
- Quando em ambientes que favorecem, o
material é alvo de agentes biológicos de degradação.
- O material possui uma estrutura
fibrosa e orientada, a qual acarreta heterogeneidade e anisotropia nas
propriedades.
- O material apresenta limitações em suas direções.
- O material apresenta limitações em suas direções.
As técnicas de se contornar estas
limitações são alvo do presente curso.
2)
Onde a madeira participa na construção civil:
b) Estrutura Deve-se considerar a qualidade da madeira, a
condição em que se encontra o material em termos de degradação, o comportamento
mecânico, e a situação particular de solicitação.
c) Pavimentos, vedações e
revestimentos: Da mesma forma deve se atentar para a qualidade, a durabilidade,
e as propriedades de conforto ambiental que o material pode proporcionar.
d) Esquadrias: Devem ser feitas as
mesmas considerações anteriores, e deve-se também atentar para a interação do
material com o meio, como por exemplo, a retratilidade.
3)
Fisiologia e crescimento:
As madeiras que interessam para
construção são divididas em dois grupos básicos distintos em termos de
classificação e fisiologia: as
ginospermas, ou resinosas, ou coníferas; e as dicotiledôneas, ou folhosas. As primeiras apresentam células
alongadas com a função de transporte de seiva e sustentação, e canais resinosos; enquanto que as
segundas se caracterizam por apresentar as células compondo fibras, e vasos lenhosos para a condução de seiva. Os raios medulares são comuns às duas espécies.
Os principais elementos dos vegetais
superiores, e o que neles acontece, é de grande importância para a compreensão
do material que um dia foi árvore. Então têm-se que, na raíz ocorre a retirada da água e dos sais minerais; nas folhas a produção da seiva elaborada; e
no tronco, ocorre a transporte da
seiva bruta e da seiva elaborada. A parte que sustenta a árvore é o lenho. O lenho se apresenta com duas zonas bem
contrastantes: o alburno e o cerne (Figura 1).
O alburno apresenta cor clara, é composto de células vivas, é a parte mais externa, é menos denso, e abriga em seu interior seiva elaborada, de modo a ser um atrativo para insetos e predadores da madeira. O cerne, pelo contrário, é a parte interior, composto por células mortas e tem côr escura. O cerne é mais denso, e tem maior resistência mecânica, de modo a ser o elemento de sustentação da árvore; e além disto, é impregnado de taninos, corantes, e outras substâncias tóxicas, de modo que, este é menos atacável por agentes biológicos de degradação.
Figura 1: O Alburno e o Cerne
O alburno apresenta cor clara, é composto de células vivas, é a parte mais externa, é menos denso, e abriga em seu interior seiva elaborada, de modo a ser um atrativo para insetos e predadores da madeira. O cerne, pelo contrário, é a parte interior, composto por células mortas e tem côr escura. O cerne é mais denso, e tem maior resistência mecânica, de modo a ser o elemento de sustentação da árvore; e além disto, é impregnado de taninos, corantes, e outras substâncias tóxicas, de modo que, este é menos atacável por agentes biológicos de degradação.
A medula
é um tecido frouxo, mole, e esponjoso, vestígio do vegetal ainda jovem quando
era constituído de tecido meristemático. A medula consiste em um ponto de
fraqueza para o material, face a degradação do tecido, e fácil acesso por
insetos predadores. Os raios medulares
são desenvolvimentos transversais radiais, de células lenhosas com a função
principal de transporte e armazenamento de nutrientes. O câmbio
é uma camada de tecidos vivos, situado entre a casca e o lenho, constituído por
tecidos em constante transformação. No câmbio ocorre a transformação dos
açúcares em celulose e lignina.
Figura 2: Os anéis de crescimento
Os anéis de crescimento contribuem para o marcante comportamento anisotrópico da madeira tendo em vista que: os anéis formados no período de primavera-verão apresentam células largas e paredes finas, já os formados no período de verão-outono possuem paredes largas e células finas; de modo que o comportamento do material na retratilidade seja diferenciado quanto a direção, e o comportamento mecânico também. São reconhecidas três direções com relação aos anéis: a direção axial, a direção radial, e a direção tangencial (Figura 3).
Figura 3: Os anéis de crescimento e as direções princpais
4)
Condições de estado, comportamento e propriedades da madeira:
Dentre as diferentes condições em que a
madeira pode se apresentar, chama atenção a umidade em que esta se apresenta. Esta influi de maneira geral nas
suas propriedades e comportamento, como por exemplo no volume do material, na
densidade, na resistência mecânica, e no potencial para a retratilidade. Em
face disto, esta deverá ser apresentada em primeiro lugar.
4.1) Umidade: A umidade é o resultado
da incorporação da água ao material, e esta pode se apresentar incorporada na
madeira sob as seguintes formas: água de
constituição, água de impregnação, e água livre. A água de
constituição faz parte do tecido lenhoso, não sendo retirada senão pela
destruição deste; a água de impregnação está aderida ao tecido lenhoso por
forças higroscópicas, e pode deixar o tecido lenhoso mediante a temperatura e
as condições higrométricas do meio, podendo inclusive tanto deixar o tecido,
como ter aumentada a sua presença neste; e a água livre é a água que não está
ligada ao tecido, presente nos poros, e é eliminada facilmente pela evaporação.
O teor de umidade de umidade é expresso
pela relação:
h(%) = [(Ph - P0)/ P0].100
Onde:
Ph se refere ao peso úmido do
material;
P0 se refere ao peso seco do
material, quando seco em estufa em temperatura em torno de 105 0C, após a constância de
peso;
Alguns destes valores assumem
importância particular para o estudo das madeiras, a saber:
a) Ponto
de saturação ao ar: Se refere ao teor de umidade onde as paredes das
células estão completamente saturadas de água de impregnação, sem que esta
extravase para os vazios celulares. Corresponde ao teor aproximado de 30%.
c) Teor de umidade normal: Para fins de comparação em espécies diferentes, é definido o teor de umidade de 15% para a determinação das características físicas do material.
Algumas definições podem ser
apresentadas com respeito estado em que o material se encontra com relação à
umidade, dados no quadro 01, na página seguinte.
4.2) Retratilidade: É a propriedade que
apresentam as madeiras de sofrer alterações de volume e dimensões quando o seu
teor de umidade varia entre o ponto de saturação ao ar e a condição de seca em
estufa. Outras denominações para o fenômeno são: contração, inchamento, e
trabalho das madeiras. Quanto ao
tipo, ela pode ser volumétrica ou linear, e, a última por sua vez, se
subdivide em tangencial, radial, e axial. O Quadro 1 apresenta a condição que a madeira pode ser encontrada, conforme Bauer (1992).
Quadro
01: condição em que a madeira se encontra com relação à umidade
Madeira
verde
|
h(%)
> 30%
|
Madeira
semi-seca
|
30%
> h(%) > 23%
|
Madeira
comercialmente seca
|
23%
> h(%) > 18%
|
Madeira
seca ao ar
|
17%
> h(%) > 13%
|
Madeira
dessecada
|
13%
> h(%) > 0
|
Madeira
completamente seca
|
h(%)
= 0
|
A contração volumétrica pode ser
expressa como a variação de volume porcentual entre as condições de madeira
verde ou seca ao ar para a condição de seca em estufa, no primeiro caso é a contração volumétrica total, e no
segundo, a contração volumétrica parcial.
As fórmulas são dadas por:
Contração
total
Ct
= [(Vv - V0)/V0]. 100
Contração
parcial
Ch =
[(Vh - V0)/V0].100
onde: Ct e Ch são as contrações totais ou parciais;
Vv é o volume da madeira ainda
verde; Vh é o volume da madeira seca
ao ar; e V0 é o volume da madeira seca
em estufa. Para se obter a retratilidade linear, a variável “volume” é
substituída pela variável que representa a dimensão na direção em que se quer
avaliar o fenômeno.
A variação porcentual de volume para 1%
na variação do teor
de
umidade é calculada dividindo-se a contração volumétrica parcial pelo teor de
umidade de seco ao ar, é e denominado por coeficiente
de retratilidade volumétrica. Então tem-se que:
V = Ch/h
4.1) Aspectos do comportamento da
retratilidade: A variação volumétrica ou dimensional ocorre enquanto o teor de
umidade varia de completamente seca até o ponto de saturação ao ar; a partir
daí o processo cessa. O processo ocorre em resposta às variações das condições
de temperatura e umidade do meio. Em termos da magnitude do fenômeno para os
três tipos de retração, de modo geral, a retratilidade linear axial é bastante
baixa, a tangencial é o dobro da radial, e a volumétrica é aproximadamente a
somatória das anteriores.
Quanto à magnitude da retratilidade por
espécie de madeira, esta pode ser diferenciada conforme o valor da
retratilidade volumétrica total, e do coeficiente de retratilidade. Têm-se
então que, conforme o valor da retratilidade, esta pode ser qualificada como forte(15 a 20), média(10 a 15) e fraca(5
a 10). Do ponto de vista do coeficiente de retratilidade, esta pode ser
qualificada como exagerada(0,75 a
1), forte(0,55 a 0,75), média(0,35), e fraca(0,15 a 0,35).
Os elevados valores de retratilidade
implicam em madeiras com facilidades para a formação de fendas, de modo que a secagem deve ser efetuada com cuidado, e o
desdobramento não deve ser muito demorado após o abate e beneficiamento
inicial. As madeiras com
menor índice de retratilidade são madeiras de caráter mais nobre, adequadas
para peças de marcenaria; e em
situação intermediária têm-se aquelas que apresentam fendas médias de secagem,
aptas para obras de carpintaria. Não
se devem dispensar ainda nestes casos os cuidados em termos de beneficiamento e
produção adequada das peças, orientadas conforme a melhor situação com relação
aos anéis de crescimento.
Quadro
02: Retratilidade das espécies de madeiras nacionais
Espécie
|
Retratilida-de
radial(%)
|
Retratilida-de tangencial
(%)
|
Retratilida-de volumétrica
(%)
|
Coeficiente de retratilidade
|
Açoita-cavalo
|
3,04
|
7,29
|
11,93
|
0,44
|
Cabriúva
|
2,75
|
6,12
|
10,93
|
0,47
|
Canela-preta
|
2,90
|
7,16
|
14,51
|
0,46
|
Cedro
|
2,96
|
5,40
|
11,81
|
0,38
|
Eucalípto
|
6,46
|
17,10
|
23,24
|
0,56
|
Louro
|
3,42
|
7,78
|
10,30
|
0,41
|
Pinho
|
3,50
|
6,76
|
13,10
|
0,51
|
Peroba
|
3,70
|
6,90
|
12,20
|
0,55
|
Fonte: Bauer (1992)
Finalmente,
deve-se atentar para o comportamento anisotrópico
da retratilidade linear. Dado ao fato de que existem dois tipos de extratos
formados, considerando-se os períodos de primavera-verão e verão-outono, têm-se
a existência de materiais diferentes, também apresentando comportamento
diferente com relação aos movimentos decorrentes da retratilidade. Na direção
tangencial, o lenho de verão-outono se dilata com maior intensidade, dominando
o processo; e no sentido radial, os efeitos são atenuados.
Como meios de se atenuar o efeito
anisotrópico da retratilidade têm-se:
- Empregar o material de preferência em
teor de umidade compatível com a condição de umidade do ambiente;
- produzir as peças orientadas conforme
a direção favorável com relação à disposição dos anéis de crescimento (largura
da peça o máximo na direção radial do tronco);
- impregnar as peças com óleo e resinas
impermeabilizantes.
A Figura 4 procura ilustrar a influência dos anéis de crescimento com relação ao tipo de produção de peças.
Como sugestão para a utilização das peças de madeira e o teor de umidade, é apresentado o Quadro 03, abaixo, conforme Bauer (1992):
Figura 4: Influência dos anéis de crescimento e da posição da peça
Como sugestão para a utilização das peças de madeira e o teor de umidade, é apresentado o Quadro 03, abaixo, conforme Bauer (1992):
Quadro
03: Tipos de construções e ambientes conforme as condições de umidade
Teor
de umidade
|
Tipo
de construção
|
30%
|
Construções
submersas, pontes etc..
|
18
a 23%
|
Construções
expostas, como torres, cimbres etc.
|
16
a 20%
|
Construções
abrigadas mas largamente expostas, como hangares, entrepostos, telheiros etc.
|
13
a 17%
|
Construções
em locais fechados e cobertos, como telhados e entrepisos.
|
10
a 12%
|
Emprego
em locais fechados e aquecidos.
|
8
a 10%
|
Emprego
em locais com aquecimento artificial.
|
5) Densidade: A densidade da madeira é definida pela massa específica aparente- relação entre o peso e a unidade de volume total. Esta pode variar com a espécie de madeira, a posição de origem na árvore, e o teor de umidade. A densidade assume um papel importante no estudo das madeiras porque elaexprime a maior ou menor concentração de tecido lenhoso, refletindo-se na resistência mecânica e na trabalhabilidade. Um exemplo curioso é o da aroeira, árvore conhecida por ser de difícil manuseio e grande durabilidade. Este fato se deve à grande porcentagem de cerne com relação ao alburno, no lenho desta espécie. O quadro 04 apresenta a densidade média para as espécies nacionais mais conhecidas, conforme Bauer (1992):
Quadro
04: Densidade das espécies nacionais mais conhecidas
Espécie
|
Densidade(kg/dm3)
|
Açoita-cavalo
|
0.62
|
Cabriúva
|
0,89
|
Canela
|
0,63
|
Cedro
|
0,49
|
Eucalípto
|
0,89
|
Louro
|
0,69
|
Peroba
|
0,76
|
Pinho
|
0,56
|
6) Propriedades da madeira: Dentro das propriedades da madeira, as que mais interessam para construção são as propriedades mecânicas, o desempenho térmico, o desempenho acústico, e o desmpenho quanto ao fogo. As propriedades mecânicas da madeira são discutidas em tópico à parte. Com respeito ao desempenho em edificações, têm-se que a madeira apresenta bom desempenho como isolante térmico; mau desempenho como isolante acústico, porém bom condicionador acústico do ambiente; e, com respeito à ação do fogo, existe o problema da combustibilidade, o qual pode ser atenuado com a adição de produtos retardadores de chama, denominados por ignifugantes.
7)
Produção e beneficiamento da madeira:
A produção de madeiras se dá
primeiramente com o abate da árvore,
seguida da toragem, desseivamento, falquejamento, e desdobramento.
O desdobramento assume importância fundamental, quando se considera a
orientação das peças com relação aos anéis de crescimento. A produção das peças
de madeira termina com o aparelhamento,
onde são produzidas as peças de acordo com as bitolas comerciais.
Em face das limitações da madeira
natural se procede o seu beneficiamento, o qual é apresentado à seguir:
7.1) Secagem: A secagem diminui o
trabalho das madeiras, a atração por insetos xilófagos; reduz o peso; melhora a
qualidade mecânica das madeiras; e torna a madeira apta para receber os
tratamentos imunizantes. A secagem pode ser natural ou forçada.
A
secagem natural é aquela que se processa com a exposição da madeira ao meio,
viabilizada pela tendência que esta tem de entrar em equilíbrio de umidade com
o ambiente. É certo que esta sofre a influencia das condições do ambiente,podendo
ser lenta, ou outras vezes, mau conduzida (quando a evaporação da superfície
não esta sincronizada com a difusão interna da umidade). A secagem forçada se
processa por meio da introdução de ar quente em estufa de secagem, com
temperaturas crescentes e graus higrométricos adequados. A secagem forçada pode
se dar também pela utilização de raios infravermelhos que produzem calor,
produtos químicos hidrófilos, e passagem de corrente elétrica; porém alguns
destes métodos são pouco utilizados.
No caso de estufas de secagem, o
mecanismo básico atuante é o equilíbrio natural que se o forma entre a madeira
e o meio; e este é constantemente modificado gradativamente de forma
proposital, de modo a se alcançar estágios sucessivos na condição de umidade da
madeira, até o teor desejado.
7.2) Tratamento da madeira: Os
principais inimigos da madeira são: As bactérias, os fungos xilófagos, os
insetos xilófagos, as formigas, e alguns tipos de moluscos. Destes, alguns se
alimentam da seiva presente nela, e outros, do próprio tecido. As condições
ideais para o ataque das madeiras são: presença de umidade acima de 20%, e
abaixo do ponto de saturação; temperatura variando entre 0 a 30 0C (entre 30 0C e
50 0C alguns seres vivos ficam
em forma latente), presença de ar, e presença de alimento.
Alguns cuidados podem ser tomados de
imediato para a preservação da madeira, como a desseivagem e a secagem, pois
diminuem o atrativo do alimento; e a madeira imersa não possibilita a presença
de ar para a sobrevivência dos predadores. Um tratamento mais atuante seria a
impregnação dos tecidos lenhosos com produtos químicos tóxicos, os quais inibem
a sobrevivência dos organismos.
A impregnação de produtos químicos pode
ser por meio de pinturas, imersão, e tratamento em autoclave; e na sequencia
apresentada, o grau de atuação do tratamento é crescente. A pintura envolve a
parte superficial da madeira e é recomendada para o caso de peças que deverão
ficar cobertas, sujeitas á fracas variações higrométricas, como telhados,
entrepisos, forros; e da mesma forma a imersão, onde a penetração não deve
atingir mais do que 2 a 3mm de espessura do material. No caso da autoclave, o
material é submetido à uma espécie de “panela de pressão”, onde o produto pode
alcançar os pontos mais profundos do material.
8)
A transformação da madeira: A madeira transformada têm por fim os seguintes
objetivos:
a) satisfazer a exigência de
homogenidade do material, proporcionando isotropia no comportamento
físico-mecânico;
b) possibilitar a aplicação de produtos
químicos de tratamentos de forma mais eficiente;
c) possibilitar a execução de grandes
chapas de madeira, de modo a se compor grandes painéis;
d) aproveitar todo o material lenhoso
contido nas árvores.
A maneira pela qual esta pode ser
realizada pode ser dada pelas formas à seguir.
As vantagens da madeira compensada são:
A possibilidade de se produzir grandes chapas; a maior resistência e a menor
variação dimensional; o melhor aproveitamento da madeira. A madeira compensada
é utilizada em móveis, revestimentos de tetos e paredes, fôrmas para concreto
armado, e telhas para cobertura.
8.2) Madeira reconstituída: É obtida a
partir da reaglomeração da madeira feita à fibras. É utilizada como isolamento
térmico e vedação.
8.3) Madeira aglomerada: É formada de
fibras ou lascas de madeira impregnadas de substâncias anti-pútridas,
anti-parasíticas, e ignífugas, aglomeradas por um aglomerante mineral.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
BAUER, L.A.F Materiais de construção, São Paulo, 1992,
Livros Técnicos e Científicos, 2, p.526-554.
PETRUCCI,
E. Materiais de construção. Porto
Alegre, 1978, Globo, 435p. 
Marco Antônio de Morais Alcantara é Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal de São Carlos-BR, com ênfase em Engenharia Urbana (1986); Mestre em Engenharia Civil, área de concentração em Geotecnia, pela Universidade Federal de Viçosa-BR (1995); Master Génie Civil, Matériaux et Structures, pelo Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse-FR (2001); Docteur Génie Civil, Matériaux et Structures, pelo Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse-FR (2004); e tem pós-doutorado em Estruturas pela Universidade do Porto-PT (2012). É docente da FEIS/UNESP desde 1987.
