Testes em Madeira

A madeira é um material onipresente que tem sido usado na construção desde os primeiros tempos. Renovável e sustentável, a madeira é um material estrutural amplamente utilizado na engenharia para construção de edifícios residenciais unifamiliares e também para enquadramento de divisórias e outros elementos não estruturais em edifícios comerciais e industriais.

Devido à sua origem natural, a madeira possui propriedades mecânicas ligadas às espécies individuais de árvores. O teor de umidade e outras variáveis, por exemplo, a presença de defeitos. Para uma aplicação específica, um projetista deve considerar cuidadosamente as cargas previstas em um membro ou estrutura de madeira para garantir a máxima eficácia do material.

Este vídeo ilustrará como testar as propriedades mecânicas de diferentes tipos de madeira e determinar seu comportamento tensão-deformação e desempenho flectural.

A madeira é composta de células alongadas, redondas ou retangulares em forma de tubo que são muito mais longas do que largas. Dentro da parede existem várias camadas feitas de microfibrilas, que são feixes de polímeros de celulose.

As cadeias microfibrilares estão alinhadas em direções distintas dentro das camadas das paredes. 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 das paredes interna e externa fornecem estabilidade. A lignina liga os polímeros de celulose, bem como as cadeias de microfibrilas e as células das paredes. O efeito de agrupamento de muitas células resulta em um material de construção muito forte.

A madeira é um material biológico e, portanto, é muito suscetível à decomposição ambiental e ao ataque de pragas. Grande parte da madeira usada hoje é pré-tratada com produtos químicos para protegê-la do meio ambiente e do ataque de insetos.

A madeira é um material não homogêneo caracterizado por um grande número de imperfeições ou defeitos como, por exemplo, nós e rachaduras. Em conseqüência, grandes fatores de segurança ou proporções de resistência de projeto para resistência final real são usados para explicar a grande variação nas propriedades de engenharia de diferentes peças de madeira.

Devido à sua composição celular, a madeira é um material ortotrópico, possuindo propriedades diferentes ao longo dos eixos longitudinal e, respectivamente, transversal em relação à direção do grão. Em consequência, o material se comportará de maneira diferente das cargas paralelas ou perpendiculares à fibra de madeira. As propriedades ortotrópicas da madeira podem ser melhoradas por diferentes métodos.

Laminados como o compensado são feitos de camadas com fibras alinhadas em direções perpendiculares, resultando em um material isotrópico. Alternativamente, o glulam é feito de tiras finas de fibras alinhadas na mesma direção e coladas sob pressão, derivando sua força da distribuição de defeitos.

A composição celular da madeira também é responsável pela água livre dentro das cavidades celulares e pela água ligada às paredes celulares. Em consequência, o teor de umidade é um parâmetro chave na determinação da resistência da madeira e, em geral, a redução da umidade resultará em um aumento na resistência. Mudanças volumétricas associadas à secagem podem resultar em encolhimento e distorção não uniformes, como torção, arco, xícara ou curvatura.

Como a madeira é um material polimérico, também é propensa a fluência ou, sob carga constante, a deformações contínuas semelhantes a viscos. Quando a carga é liberada, a maior parte da deformação é recuperada. Como resultado, a madeira geralmente pode suportar tensões muito mais altas se a duração do carregamento for curta. Como todos esses fatores seriam muito complexos para uso no projeto diário, para fins estruturais, usamos o seguinte: uma análise estatística dos valores finais de resistência livre de defeitos para muitas espécies, correções para o teor de umidade e taxas de resistência com base no grau da madeira para corrigir os efeitos de redução da resistência.

As propriedades comumente fornecidas para a maioria das madeiras são publicadas em forma de tabela para facilitar a referência. Essas propriedades são: tensão de flexão admissível, tensão paralela ao grão, cisalhamento horizontal, compressão perpendicular ao grão, compressão paralela ao grão e módulo de elasticidade. Além das propriedades básicas específicas de orientação das espécies de madeira, deve ser evidente que nem toda madeira se comporta da mesma maneira sob carga.

Agora que você entende as propriedades físicas da madeira e os princípios dos testes de madeira, vamos usá-los para realizar alguns testes.

Antes de começar, escolha três variedades de madeira para comparar. Para cada variedade, prepare dois espécimes de cubo de compressão com dimensões nominais de borda de 3,5 polegadas. Certifique-se de que os cubos estejam livres de defeitos e que suas superfícies opostas sejam paralelas. Marcar um provete de cada casta para ensaio com uma carga aplicada paralelamente ao grão e os restantes provetes para ensaio com uma carga aplicada perpendicularmente ao grão.

Meça a altura da direção de carregamento de cada amostra de teste usando um paquímetro. E repita a medição em alguns locais para determinar a média aproximada. Quando terminar, use o mesmo procedimento para determinar as dimensões da seção transversal de cada amostra.

Configure a máquina de teste universal conforme mostrado no vídeo JoVE sobre constantes de material. Em seguida, centralize cuidadosamente uma amostra na orientação correta na placa de compressão. Abaixe a cruzeta até que uma leve carga seja aplicada e, em seguida, use os controles finos para recuar a carga para o mais próximo possível de zero.

Agora aplique a carga compressiva a uma taxa de carga de 40 psi por segundo. O teste de compressão pode continuar por vários minutos à medida que a carga aumenta e com deformação visível significativa na amostra. Permita que o teste continue até que uma carga máxima óbvia seja atingida.

Registar a carga máxima quando o ensaio estiver concluído e, em seguida, repetir o procedimento para os restantes provetes.

Realize outro teste de compressão e, desta vez, aplique a carga perpendicular ao grão da amostra. Repita o procedimento para as outras variedades de madeira.

Agora prepare alguns espécimes de osso de cachorro usando as mesmas três variedades de madeira. Preparar um conjunto de provetes com o grão paralelo à dimensão longa e um segundo conjunto com o grão perpendicular à dimensão longa.

Realize testes de tensão em todas as seis amostras, conforme mostrado no vídeo JoVE, sobre as características tensão-deformação do aço.

Obtenha um dois por quatro com cerca de 24 polegadas de comprimento de cada variedade de madeira. Instale o aparelho de teste de flexão de quatro pontos na máquina de teste universal. Assim que o aparelho estiver pronto, ligue a máquina de teste. Ajuste as configurações de teste para registrar as cargas e os valores da cruzeta e capturar a carga máxima. Instale a amostra no aparelho e solte a cruzeta superior até que o aparelho comece a fazer contato com a viga de madeira.

Aplique a carga a uma taxa de 2.000 libras por minuto até que a viga se quebre. Registre a carga de falha quando o teste estiver concluído e, em seguida, repita o teste para as amostras restantes.

Use uma tabela para resumir os resultados dos testes de compressão, tração e flexão. Em seguida, em cada coluna, normalize os dados para o valor máximo e crie uma nova tabela.

Agora, dê uma olhada em seus resultados. Como mostrado consistentemente por todos os resultados, o carvalho é a madeira mais forte, seguido pelo abeto e pelo pinheiro do sul. Para as duas propriedades mais importantes, resistência à flexão e compressão paralela ao grão, o abeto parece ter cerca de 87% e o pinheiro do sul cerca de 78%, tão forte quanto o carvalho. Dada a grande diferença de preço entre as madeiras, o pinheiro do sul como o mais barato deles é uma escolha muito eficiente.

O teste de madeira é de suma importância na engenharia estrutural para avaliar a capacidade dos projetos finais de lidar com tensões e deformações durante o uso rotineiro, a fim de garantir a segurança do produto e a conformidade com os padrões internacionais.

Em um teste de flexão de quatro pontos, uma viga simplesmente apoiada é carregada com duas cargas de ponto igual em seu terceiro ponto, resultando em uma porção central com momento constante e cisalhamento zero. Este teste é crítico para sistemas de piso onde os elementos estruturais da madeira são carregados principalmente por tensões de flexão.

Até recentemente, as estruturas de madeira eram limitadas a três ou quatro andares em um apartamento ou pequeno prédio de escritórios. O desenvolvimento da madeira laminada cruzada resultou no desenvolvimento de sistemas estruturais capazes de atingir oito ou mais andares. Enquanto edifícios muito mais altos, na ordem de 20 andares, ainda estão em desenvolvimento.

Você acabou de assistir a Introdução ao Teste de Madeira da JoVE. Agora você deve entender as propriedades de engenharia da madeira e como realizar testes de tração, compressão e flexão em amostras de madeira.

Obrigado por assistir!