Características
A madeira é um material ortótropo (comportamento é dependente da direção anatômica considerada-radial, tangencial e axial). Desse modo, contrariamente aos materiais convencionais de uso na construção, requer-se maior diversidade de ensaios para a caracterização fisico-mecânica da madeira.
Torna-se fundamental que a espécie seja identificada previamente. Trata-se de investigação básica para a qual não existe diferença entre os procedimentos utilizados pelos diferentes laboratórios. Quando houver a possibilidade deve-se também coletar material auxiliar na mata (folhas, casca, flores e frutos); caso contrário empregam-se técnicas de preparação para efetuar análises microscópica e macroscópica, conforme relatado neste site em anatomia da madeira.
Amostragem
MB 26/1940
Para cada espécie recomendava-se o estudo de, no mínimo, três árvores, com dimensões mínimas previstas para a seção transversal. Nas toras também já se definia a posição dos corpos-de-prova para os diferentes ensaios. O enfoque adotado era determinístico, o que conduzia à necessidade da escolha de fatores de segurança elevados de até 50%.
COPANT
Prevê que a própria árvore seja escolhida na floresta, ao sortear-se um azimute magnético e coletar, nesta direção, o primeiro indivíduo representante da espécie a ser estudada.
NBR 7190/97
Preconiza a coleta ao acaso em serrarias de amostras (6 ou 12) de uma determinada espécie (identificada macroscopicamente ou microscopicamente). Por dispensar o uso de serrarias de grande porte para realizar o desdobramento da tora, essa possibilidade contribuiu para a "democratização” no estudo da madeira, pois laboratórios de pequeno porte também podem ser capacitados para conduzir os ensaios de caracterização da madeira. Esse tipo de amostragem leva em consideração a dispersão natural dos resultados, permitindo atribuir-se à madeira um enfoque probabilístico.
Umidade
Teor de umidade
O método adotado é o da estufa, considerando-se a umidade em base seca (massa anidra). A temperatura adotada é de (103 + 2) °C; a duração da secagem varia de 24 a 48 h, ou até que em duas pesagens sucessivas a massa não difira de 0,5%.
Na tabela apresenta-se o valor do teor de umidade de três amostras de Peroba-rosa (Aspidosperma polyneuron) e três amostras de Garapeira (Apuleia leiocarpa). Nota-se que as últimas amostras ainda não atingiram o ponto de equilíbrio com o ambiente.
| mh | ma | h(%) |
|---|---|---|
| 12.45 | 11.15 | 11.66 |
| 12.78 | 11.47 | 11.42 |
| 12.47 | 11.16 | 11.74 |
| 11.69 | 10.15 | 15.17 |
| 11.16 | 9.68 | 15.29 |
| 10.98 | 9.52 | 15.34 |
Umidade de referência
As propriedades da madeira dependem do seu teor de umidade. Desse modo, para que se possa comparar as espécies, deve-se adaptar os resultados obtidos para um determinado teor de umidade. De acordo com o MB-26 esse valor era de 15%; pela NBR 7190/97 esse valor passou para 12% (também adotado pela COPANT e pela ASTM).
Dois tipos de procedimento podem ser adotados para que as amostras atinjam a umidade de equilíbrio de 12%: ou se adota o uso de climatizadoras, dotadas de controle de temperatura e de umidade, ou se efetua o ensaio (geralmente de compressão paralela às fibras, compreendendo vários estágios da secagem da amostra) para obter-se o coeficiente de influência da umidade (CIH). Pode-se ajustar uma curva aos dados experimentais ou obter-se graficamente o CIH, calculando-se a tangente à curva da resistência versus umidade, adotando-se o intervalo de 10 a 20% (supondo que o trecho seja retilíneo).
Variações dimensionais
Recomenda-se que seja feito o acompanhamento paulatino da secagem da amostra, monitorado por pesagem e por medições ao longo das três direções da amostra (longitudinal, radial e tangencial). Usualmente considera-se três condições de umidade:
- Madeira verde (umidade igual ou superior ao ponto de saturação das fibras ao ar – PSA ou PSF, geralmente em torno de 30%- madeiras mais densas têm esse valor reduzido para até 20%);
- Madeira seca ao ar- quando ocorre a estabilização em massa (depende de condições ambientais, atingindo o valor de 10 a 20%);
- Madeira anidra- após secagem em estufa (0% de umidade).
- Na maioria dos casos, no entanto, coleta-se amostras de madeiras “comercialmente secas”, que apresentam umidade na faixa de 10% a 20%. Nesse caso pode-se adotar dois procedimentos:
- Colocação da amostra em estufa para secagem, seguido de estabilização da massa ao ar e posterior saturação das fibras por imersão em água;
- Adotando-se o procedimento inverso, ou seja, primeiramente efetua-se a imersão, seguida de estabilização e posterior secagem em estufa.
Ambos os procedimentos apresentam resultados discutíveis pois em um deles pode-se provocar o surgimento de fissuras na amostra, enquanto que no outro são eliminados extrativos durante a imersão.
Denomina-se retração (shrinkage) à diminuição nas dimensões da madeira devido à perda de umidade enquanto que o inchamento (swelling) corresponde ao aumento nas dimensões devido ao ganho de umidade. Denotando o comportamento ortotrópico (dependente da direção considerada) da madeira, observa-se que as variações dimensionais apresentam um mesmo padrão: são desprezíveis na direção axial, predominantes na direção tangencial (às vezes atingindo o dobro da variação na direção radial); a variação volumétrica é praticamente a soma das três variações lineares (ou das duas que são mais importantes).
A retração/inchamento da madeira é denominada parcial quando se comparam as situações madeira seca ao ar e madeira verde; quando se compara a madeira verde com a madeira anidra diz-se retração/inchamento total.
Variações lineares
De acordo com o MB 26/1940 deveriam ser cravados pregos nas faces da amostra (2 cm x 2 cm x 3 cm) e efetuadas as medições nas três direções anatômicas da madeira. De acordo com a NBR 7190/97 as medições devem ser efetuadas diretamente em marcações feitas nas faces da amostra (2 cm x 3 cm x 5 cm). Evidentemente em ambas as metodologias propostas se prevê que as amostras tenham arestas paralelas às camadas de crescimento. No caso do uso da NBR 7190/97, para medir as variações radiais deve-se efetuar a marcação na face tangencial e vice-versa.
Outra importante diferença refere-se à forma de realização dos cálculos: enquanto no MB 26/1940 a retração é obtida dividindo-se a amplitude da variação dimensional pelo valor da dimensão da madeira na condição anidra (a menor), na NBR 7190/97 propõe-se a divisão da mesma amplitude pelo valor da dimensão saturada (a maior). Essa forma de efetuar o cálculo da retração culminou por afetar negativamente as madeiras brasileiras, cuja retração era sempre superior à real (na verdade, o que no MB 26 apresentava-se como retração era o que na ASTM se define como inchamento, e vice-versa).
rxp = retração parcial na direção “x” (radial, tangencial, axial ou volumétrica);
rxt = retração total;
ls = dimensão da madeira na condição saturada;
lh = dimensão da madeira na condição seca ao ar;
le = dimensão da madeira seca em estufa.
Como converter: c7190/97 = (cmb26/(1+cmb26))
Variações volumétricas
De acordo com o MB 26/1940 o volume da amostra deveria ser determinado em uma balança de mercúrio; na COPANT prevê-se o deslocamento em água (diretamente quando a madeira estiver verde e após envelopamento em parafina quando a madeira estiver seca ao ar); a NBR 7190/97 prescreve a obtenção do volume diretamente por meio do produto da média das dimensões lineares.
Desse ensaio obtém-se o coeficiente de retratibilidade volumétrica (_) que indica a tendência da madeira em se movimentar durante a secagem. Esse coeficiente corresponde à razão entre a variação volumétrica parcial (entre as condições verde e seca ao ar) e o teor de umidade da madeira. Um coeficiente igual a 0,45 significa, por exemplo, que a madeira irá perder/ganhar 0,45% de volume a cada variação de 1% de umidade, desde que a madeira tenha umidade abaixo do ponto de saturação das fibras (PSA).
Obs: da mesma forma que foram descritos esses conceitos para o volume da madeira poder-se-ia aplicá-los às variações lineares, obtendo-se coeficientes de retratibilidade para cada direção anatômica considerada.
Ponto de saturação das fibras ao ar (PSA ou PSF)
Teor de umidade a partir do qual a madeira apenas tem aumentada sua massa, sem que sejam modificadas suas dimensões. Corresponde à razão entre a contração volumétrica total (entre as condições verde e seca em estufa) e o coeficiente de retratibilidade volumétrica.
Densidade
Essas diferentes denominações, referentes à razão entre uma massa (ou peso) e o volume (determinado pelos métodos descritos anteriormente), ainda não conseguiram obter unanimidade entre os diferentes pesquisadores e laboratórios. A densidade de massa é a atualmente recomendada pelo IPT – SP, porém antigas publicações citavam a massa específica aparente ou a densidade aparente da madeira. Pelo fato de a massa específica/densidade depender da umidade da madeira recomendava-se que o valor obtido no ensaio fosse adaptado para a umidade de referência
A densidade básica tem sido utilizada principalmente no setor de celulose e papel. Caracteriza-se pela razão entre duas grandezas que nunca ocorrerão simultaneamente- a mínima massa (ou seja, após secagem em estufa) e o máximo volume (madeira saturada). Uma madeira com densidade básica, por exemplo, 0,48 g/cm3, indica que para cada metro cúbico poder-se-ia obter 480 kg de material seco.
Para todas as espécies de madeira a densidade real situa-se em torno de 1,54 g/cm3; o que as torna diferentes sob o ponto de vista da densidade de massa, além da variação no teor de umidade, é a porcentagem ocupada pelos diferentes elementos anatômicos (fibras, vasos, raios e células parenquimatosas) e pela presença ou não de extrativos. Desse modo, madeiras muito leves apresentam densidade de massa da ordem de 0,20 g/cm3, enquanto que para madeiras muito densas esse valor pode ultrapassar 1,20 g/cm3.
Na ausência de maiores informações (e para o mesmo teor de umidade das amostras) quanto mais densa for a madeira maior será sua resistência mecânica.
Compressão paralela
De acordo com o MB 26/1940 procedia-se a dois tipos de ensaios. No primeiro deles- denominado de qualificação, as amostras (2 cm x 2 cm x 3 cm) eram retiradas de tal forma que ocorressem arestas paralelas às camadas de crescimento. Desse ensaio também se retirava o coeficiente de influência de umidade (CIH)- supondo que o trecho relativo às umidades 10% e 20% fosse retilíneo, ensaiando-se amostras referentes a vários teores de umidade. O CIH (em %) representa quanto a madeira na umidade h% terá aumentada ou diminuída sua resistência, quando for adaptada para 12% (ou 15%) de umidade.
Cota de qualidade
valor comparativo entre as diferentes espécies indicando aquelas que apresentavam maior resistência em relação à sua densidade a 15% de umidade.
No segundo tipo de ensaio, obtinha-se a tensão no limite de proporcionalidade e o módulo de elasticidade, em amostras de 6 cm x 6 cm x 18 cm, ensaiadas na condição de madeira verde. Relógios comparadores (sensibilidade de mícrons) eram instalados em duas faces opostas do corpo-de-prova e efetuava-se leitura a cada incremento de carga de 500 kgf.
Pela NBR 7190/97 repete-se o procedimento, porém as amostras não necessitam apresentar arestas paralelas às camadas de crescimento; as dimensões dos corpos-de-prova são de 5 cm x 5 cm x 15 cm. Ambas as normas preconizam velocidade de aplicação da carga de 10 MPa/min. Pela NBR 7190/97 deve-se efetuar ciclos de carga para a acomodação do corpo-de-prova.
Para o cálculo da tensão de ruptura (Fc0) adota-se o conceito do estimador: os resultados obtidos são colocados em ordem crescente, desprezando-se o valor mais elevado (se o número de corpos-de-prova for ímpar).
Módulo de elasticidade. Madeira: Guariúba - Tensão de ruptura: 41,46 MPa.
Módulo de elasticidade= 13GPa
O módulo de elasticidade em compressão (assim como deve ser efetuado nos ensaios de flexão e tração) é obtido para a região correspondente à variação nas deformações da madeira quando submetida a cargas entre 10% e 50% de sua resistência última (testada preliminarmente em amostra-gêmea).
Pela ASTM/COPANT as dimensões são de 5 cm x 5 cm x 20 cm, sendo o ensaio conduzido em máquinas que permitem regular a velocidade de deslocamento do cabeçote (10mm/min).
Área = 24,89 cm2
Deformação na proporcionalidade = 13,5/250 = 0,054 cm
L0 = 15 cm
Tensão no limite de proporcionalidade (kgf/cm2)=18500/24.89=743
Tensão de ruptura (kgf/cm2)=23250/24.89=934
Deformação específica=0.054/15=0,0036
Módulo de elasticidade (kgf/cm2)=743/0,036= 206000
Compressão perpendicular
Esse ensaio, embora seja importante para avaliar madeiras empregadas na forma de dormentes, não estava previsto no MB 26/1940. Pela NBR 7190/97 as amostras apresentam dimensões de 5 cm x 5 cm x 10 cm. Devido às especificidades anatômicas da madeira a carga, aplicada sobre uma placa metálica apoiada na superfície da madeira, não conduz à ruptura do corpo-de-prova. Desse modo pode adotar-se apenas a tensão no limite de proporcionalidade e o módulo de elasticidade (transversal), valores nitidamente inferiores àqueles relativos ao ensaio de compressão paralela às fibras. A resistência da madeira em compressão perpendicular às fibras (fc90), pela NBR 7190/97, corresponde à tensão relativa à deformação residual de 2/1000.
Tração paralela
Durante o ensaio de compressão paralela o corpo-de-prova se rompe devido à flambagem individual das fibras; na tração paralela as fibras se solidarizam provocando a necessidade de cargas elevadas para o rompimento da madeira; geralmente a tensão de ruptura em tração paralela é o dobro daquela apresentada em compressão paralela. Desse modo, tanto o MB 26/1940 como a NBR 7190/97 recomendam que seja feito uma redução na seção do corpo-de-prova para que a ruptura ocorra em sua região central. Cuidados devem ser tomados quando se ensaiam madeiras mais leves (ou o bambu, por exemplo), pois pode ocorrer o esmagamento do corpo-de-prova na região de contato com as garras da máquina de ensaios.
As normas ASTM/COPANT não fazem menção a esse ensaio, indicando que pode-se obter o comportamento da madeira submetida à tração paralela às fibras, por meio do resultado do ensaio de flexão estática.
Tração perpendicular
Solicitação na qual a madeira não apresenta grande resistência, pois depende apenas da aderência mútua entre as fibras. Deve ser evitado este tipo de solicitação na madeira utilizando-se de estribos metálicos.
Flexão estática
De forma similar à anterior, no MB 26/1940 previa-se o ensaio de qualificação para amostras secas ao ar de 2 cm x 2 cm x 30 cm (vão livre de 28 cm), além de um indicativo da rigidez da madeira, denotado pela razão entre o vão e a flecha obtida na região inferior da peça (L/f).
A tensão no limite de proporcionalidade e o módulo de elasticidade (para madeira verde) eram obtidos em amostras 6 cm x 6 cm x 100 cm (vão livre de 75 cm). Utilizava-se um defletômetro (sensibilidade de centésimos de mm) posicionado na região inferior mediana da peça. Adotava-se o CIH igual à metade do valor obtido no ensaio de qualificação em compressão paralela às fibras.
Pela NBR 7190/97 o ensaio deve ser conduzido em ciclos de carga. As amostras de 5 cm x 5 cm x 115 cm são ensaiadas com vão livre de 21.h, de forma perpendicular à direção radial do corpo-de-prova. De forma similar ao do ensaio de compressão paralela às fibras, para o cálculo do módulo de elasticidade considera-se as tensões e deformações correspondentes a 10% e 50% da tensão máxima (fm).
Flexão dinâmica
Ensaio necessário para caracterizar madeiras que possam ser utilizadas perante cargas dinâmicas (cabos de ferramenta, de esqui, assoalhos de caminhões). Utiliza-se o pêndulo de Charpy (MB 26/1940) ou equipamento similar (NBR 7190/97). No primeiro caso mede-se a energia absorvida (kgf.m) de um pêndulo de 10 kgf, posicionado a 1 m de altura em relação a o corpo-de-prova de dimensões 2 cm x 2 cm x 30 cm (vão de 28 cm).
Cisalhamento
Mede a resistência da madeira ao efeito de se provocar o deslizamento de um plano sobre outro, solicitação essa comum em estruturas de madeira. Também se propôs modificação na geometria do corpo-de-prova; no MB 26/1940 o corpo-de-prova era entalhado; na NBR 7190/97 o corpo-de-prova é cúbico.m x 2 cm x 30 cm (vão de 28 cm).
Fendilhamento
Situação em que a madeira apresente sua menor resistência; também se propôs modificação na geometria do corpo-de-prova.
Dureza Janks
Visa qualificar madeiras para assoalhos, sendo adotado o método Janka. Mede-se o esforço necessário para introduzir uma semi-esfera (de seção 1 cm2) no topo (ou outra face) do corpo-de-prova. Adota-se como tensão o valor correspondente à carga necessária para aprofundar a semi-esfera. O ensaio pode ser aplicado às três faces da madeira; na face transversal, é maior a dureza da madeira. O ensaio pode ser uma ferramenta importante para avaliar a condição de madeiras expostas às intempéries, como por exemplo dormentes ferroviários.
Ensaios não-destrutivos
Originalmente desenvolvidos para o estudo do aço e de outros materiais homogêneos os END também foram aplicados ao estudo de materiais à base de cimento e de diverso polímeros. No tocante à madeira o uso do END ainda não foi plenamente aceito, devido ao seu desconhecimento e à maior variabilidade dos resultados obtidos no estudo das madeiras.
Dentre os métodos possíveis de serem aplicados à madeira destacam-se o ultra-som e a freqüência de ressonância. Dentre eles o método de propagação de ondas ultra-sônicas mostra-se mais indicado para a inspeção de estruturas em serviço, para a detecção de defeito em peças e para a avaliação da umidade da madeira. O outro método mostra maior aplicabilidade em ensaios laboratoriais.
O método ultra-sônico permite detectar a influência da orientação anatômica da madeira (transversal, tangencial e radial) na velocidade de propagação da onda. A velocidade de propagação é máxima na direção paralela às fibras (longitudinal) - da ordem de 5000 m/s. Para as demais direções as velocidades situam-se em torno de 2000 m/s.
A velocidade de propagação depende de uma série de fatores: da espécie, do teor de umidade, da proporção de cerne e alburno, da presença de defeitos, dentre outros.
O END por ultra-som apresenta grande potencial para ser utilizado para detectar o estado de peças em serviço, ou para a classificação de peças estruturais em serrarias. Se as peças apresentarem as mesmas características (espécie, geometria e umidade), quanto maior for a velocidade de propagação obtida provavelmente maior será a resistência mecânica do material.
O módulo de elasticidade dinâmico da madeira ( E d ) apresenta, geralmente, um valor mais elevado do que o do módulo obtido no ensaio destrutivo.