Análise estrutural de vigas de madeira laminada colada
A Madeira Laminada Colada, além de ser um dos mais antigos materiais empregados pelo homem é um material de grande versatilidade e largamente utilizado na construção civil. Porém, na atualidade, ainda tem sido empregado com fins pouco nobres, ao contrário de países industrializados como a Alemanha, Noruega, Suíça, Canadá e EUA.
O primeiro uso da madeira foi, provavelmente, para prover abrigo, uma função que continua até estes dias. Nos registros históricos, encontram-se relatos do uso da madeira no estado natural para a construção de veículos de transporte. O primeiro entre estes foi a construção de barcos. As florestas forneceram a madeira para a construção de embarcações e foram essenciais para que algumas nações controlassem o comércio pelos mares e adquirissem grande expansão territorial Os cedros do Líbano, as florestas de carvalho da Inglaterra e a madeira para construção das colônias da Nova Inglaterra são exemplos de fontes de madeira que foram utilizadas como matéria prima para a construção de embarcações.
A madeira laminada e papel foram produzidos pelos egípcios em grande quantidade há mais de 3.000 anos atrás. Esses dois produtos receberam um amplo e universal uso nos dias de hoje. Foram os primeiros compósitos preparados de madeira e fibras de madeira.
As florestas do continente europeu forneceram material natural para a construção de abrigo e transporte e foram fonte de combustível para aquecimento. Elas também deram força para a revolução industrial durante os seus primeiros estágios de desenvolvimento. Outros recursos naturais mais eficientes estão substituindo a madeira como combustível. Contudo, ainda hoje é usada por muitas pessoas do mundo como fonte de combustível, quer para aquecimento domiciliar ou com finalidades industriais.
A aplicação da madeira segundo o processo do aplainado-colado reúne duas técnicas bastante antigas. Como o próprio nome indica, a madeira laminada colada (MLC) foi concebida a partir da técnica da colagem aliada à técnica da laminação, ou seja, da reconstituição da madeira a partir de lâminas (tábuas).
No que diz respeito à colagem, pelo que se tem conhecimento é uma técnica muito antiga, pois pode-se citar exemplo como o de certos baús de madeira encontrados nas pirâmides do Egito, onde os cantos foram unidos por colas orgânicas. A descoberta desses baús mostra ainda, a eficiência e durabilidade, tanto da madeira como da colagem.
Por outro lado, a técnica de laminação é bem mais recente, pois pelo que se tem conhecimento a sua aplicação concreta teve início no século XIX. O exemplo mais marcante que pode ser citado é o de arcos compostos por lâminas (tábuas) encurvadas e sobrepostas, mantidas unidas por ligações mecânicas de metal. No entanto, a junção das duas técnicas, para dar origem à madeira laminada colada empregada na fabricação de elementos estruturais a serem utilizados na construção civil, só foi possível, com o surgimento de colas de alta resistência. Foi portanto, em 1906, com o aparecimento da cola de caseína (derivado do leite) que surgiu a idéia de substituir por cola, as ligações metálicas de braçadeiras e parafusos, antes empregadas. Segundo a literatura, a madeira laminada colada (MLC) começou a ser utilizada como material estrutural na Europa e pelos menos 30 anos antes que no continente americano.
O registro mais antigo sobre construções de madeira laminada colada foi encontrado numa publicação do setor de edificações da Suíça, data de 14 de outubro de 1911, mencionando o Encontro Nacional de Cantores em Basel, Suiça, realizado num auditório com vão de 135 pés (41,15m), construído em arcos e vigas de madeira laminada colada.
As madeiras empregadas na fabricação de elementos em MLC devem ter baixa taxa de gordura e resina. Normalmente as espécies mais recomendáveis são as coníferas com densidade entre 0,4 e 0,75 g/cm3. As dicotiledôneas com baixa densidade, também podem ser empregadas pois são facilmente coláveis.
As estruturas de madeira laminada colada podem ser fabricadas com qualquer seção, forma e comprimento, tendo como limitação apenas o transporte das peças.
Uso da MLC
Comparando com peças de madeira maciça, a madeira laminada colada permite a obtenção de peças estruturais de maiores dimensões. Como exemplo, pode-se citar os arcos de 64 m em Everett, Washington – EUA, cúpulas de 92 m em Bozeman, Montana – EUA, e vigas de 20m de vão livre em San José California- EUA.
Também deve-se dar importância à diminuição do número de ligações nas peças estruturais, visto que são concebidas para grandes dimensões.
Pela forma de fabricação, há uma redução considerável do fendilhamento tão comum em peças de madeira de grandes dimensões. Além disso, as seções das peças estruturais não ficam mais limitadas ao tamanho do tronco das árvores.
Pode-se permitir, em casos de uso interno, o dimensionamento com base na resistência da madeira seca, uma vez que para sua fabricação as tábuas são secas em estufa produzindo uma peça com teor de umidade uniforme, o que não acontece com peças de madeira sólida, pois com grandes dimensões possui dificuldade de secagem e a sua umidade é maior no interior da peça. Outra vantagem é a possibilidade de eliminação dos defeitos naturais da madeira, como por exemplo os nós, durante o processo de fabricação. A MLC permite a otimização no uso do material através da utilização de peças de qualidade inferior em zonas menos solicitadas aos esforços e de qualidade superior em zonas mais solicitadas. A MLC possui uma relação entre peso e resistência, baixa. A sua resistência é boa tanto à tração quanto à compressão. Também têm alta resistência às cargas de choque e boa resistência às cargas acidentais elevadas de curta duração. A sua dilatação térmica é bastante reduzida e apresenta elevada resistência aos agentes corrosivos. Por possuir um peso específico relativamente baixo, reduz o custo das fundações. A sua aparência é em geral agradável à maioria das pessoas e por isto não necessita ser revestida. Pode-se enumerar ainda as seguintes vantagens:
Melhor aproveitamento da resistência da madeira, pela disposição das lâminas de qualidade superior, localizando-as nos bordos, que correspondem geralmente às seções longitudinais e transversais mais solicitadas;
A seção lamelar é mais resistente que a maciça;
Permite o emprego de madeiras de reflorestamento, mantendo preservado o meio ambiente. Além disso é o material de construção que menos gasta energia seu processo de fabricação;
O produto final é digno de maior segurança em relação à madeira maciça, face a exigência do rigoroso controle de qualidade que permite o processo;
Porém, deve-se citar também algumas desvantagens da MLC cujo conhecimento é importante para ser levado em consideração. O seu custo em relação à madeira maciça é elevado devido a diversas operações de desdobro e necessidade de aplicação da cola. Durante o processo de fabricação existe um desperdício de madeira entre 13% a 50%. O custo dos adesivos, principalmente aqueles que são à prova de água, é muito elevado. Sua fabricação sob controle de qualidade requer equipamentos especiais e a mão de obra deve receber treinamento. Se não for adequadamente tratada está sujeira ao ataque de insetos xilófagos e fungos apodrecedores. Devido a higroscopicidade, capacidade de absorver água, está sujeita a constante variação de dimensões depois de colocada em serviço.
Investigação Física
Nessa pesquisa foram realizados ensaios de flexão simples reta em vigas de madeira laminada colada. Estes ensaios tiveram como objetivos determinar a resistência à flexão simples reta, a rigidez caracterizada pelo seu módulo de elasticidade e as curvaturas de cada lâmina para avaliação da ocorrência ou não do escorregamento entre as mesmas.
Pela norma brasileira a resistência da madeira à flexão simples é determinada pela máxima tensão que pode atuar em um corpo de prova no ensaio de flexão, calculado com a hipótese da madeira ser um material elástico.
O ensaio proposto pela NBR 7190/97, para a determinação da resistência à flexão, é conhecido como "ensaio a 3 pontos", ou seja, possui dois pontos de apoio e apenas um ponto de aplicação de carga situada no meio do vão. Para casos de materiais homogêneos e isótropos os resultados são perfeitamente satisfatórios. Como a madeira não se enquadra exatamente nestas condições optou-se por uma adaptação, ao exemplo de trabalhos anteriores e como é recomendado na norma francesa, NF B51–008 e a norma inglesa BS 5820 (1979), optaremos pelo "ensaio a 4 pontos". Neste ensaio também se tem dois pontos de apoio, porém, utilizando dois pontos de aplicação de carga ao invés de apenas um. Ao se aplicar sobre o corpo de prova cargas eqüidistantes cria-se uma região de momento máximo constante entre estes pontos. Isto permite, então, que a ruptura venha a ocorrer no local mais desfavorável desta região de momento máximo respeitando a constituição interna da madeira. Por esta razão passa-se a adotar, para a determinação da resistência a flexão e a determinação do módulo de elasticidade, o ensaio a 4 pontos.
O momento fletor máximo ocorre entre os pontos de aplicação de carga e é constante num ensaio a 4 pontos.
Os ciclos de carregamento e descarregamento foram executados conforme especificado pela NBR 7190/97. Para tanto, foram feitos 2 ciclos de carga e descarga e no terceiro ciclo de carregamento as vigas foram levadas à ruptura.
Como demonstrado no item anterior, na flexão pura, a viga deforma de maneira uniforme. Logo os raios de curvatura de todas as lâminas, no caso da viga em MLC, devem ser constantes para que a viga se comporte como maciça. Caso esta condição não seja respeitada, pode-se afirmar que houve escorregamento entre as lâminas da peça estudada.
A análise para verificação da ocorrência do escorregamento se faz a partir da análise da linearidade dos diagramas de deformações específicas e da simetria entre as deformações de tração e de compressão.
A inércia total da peça pode ser dada pela participação percentual da inércia de cada uma das lâminas, segundo sua posição em relação à inércia total da peça.
Dentre os fatores que influenciam a resistência da MLC está a distância entre emendas de lâminas adjacentes. De acordo com a NBR 7190/97,ítem 7.7.4, todas as lâminas contidas em um comprimento igual à altura da viga são consideradas como pertencentes à mesma seção resistente. Estas lâminas emendadas deverão ter sua seção resistente reduzida. Este procedimento foi adotado considerando uma redução de 0,90 correspondente ao tipode emenda denominado finger joints.
Tensão de Ruptura das Vigas
Com base nos resultados das cargas de ruptura pode-se determinar a máxima tensão de flexão a que estiveram sujeitas as vigas no momento da ruptura, utilizando a equação 4. Cabe lembrar, que a rigor, esta expressão só é válida no regime elástico de deformação do material. Porém, estes valores servirão apenas como parâmetro de comparação entre as vigas de cada grupo, justificando portanto as possíveis imprecisões nos resultados.
As duas vigas ensaiadas possuíam uma seção transversal retangular de 9 cm x 18,9 cm e um comprimento de 210 cm (vão livre de 200 cm).
Cada lâmina foi instrumentada com um extensômetro elétrico de resistência que forneceu as deformações específicas em 10-6 m/m.
Para as medidas dos deslocamentos verticais foi utilizado um transdutor de deslocamentos do tipo indutivo e para as medida das carga foi empregada uma célula de carga com capacidade de até 200 kN.
As peças de madeira laminada colada, foram então ensaiadas na forma de vigas simplesmente apoiadas, submetidas à flexão simples reta.
Os valores das tensões normais de ruptura foram obtidos a partir da equação 4.
Os valores dos módulos de elasticidade foram obtidos por meio da aplicação da equação 5 que corresponde à equação genérica da linha elástica, tendo como valores da curvatura os valores obtidos pelos extensômetros elétricos de resistência.
Analisando os resultados obtidos a partir dos ensaios, podem-se chegar às seguintes conclusões:
A ruptura das vigas em MLC sujeitas à flexão simples se deu de forma frágil, sem deformações exageradas, não dando avisos prévios à eminência da ruptura;
Avaliando ainda a forma como se deu a ruptura dos elementos ensaiados, nota-se que esta se inicia junto à emendas (ruptura da viga 01) ou nós (ruptura da viga 02), propagando-se pelos pontos frágeis das lâminas adjacentes de acordo com o deslocamento da linha neutra e diminuição gradativa da inércia da peça. Verifica-se então a validade de selecionar e classificar as lâminas que compõe a seção das vigas e de respeitar espaçamentos mínimos entre emendas. Porém, conclui-se que pouco serve respeitar estes espaçamentos mínimos se houver a presença de emendas nas lâminas mais afastadas da linha neutra e, portanto, mais solicitadas à esforços, quando estas estiverem posicionadas na região de maior momento fletor, considerando a diminuição da inércia da seção a partir do colapso destas lâminas. Da mesma maneira, conclui-se que em regiões mais afastadas dos pontos de maior carregamento podem ser utilizadas lâminas de qualidade inferior, sem que isto diminua significativamente a sua rigidez. Esta pode ser uma recomendação importante quanto aos aspectos e cuidados a serem tomados na hora de se executar as estruturas em MLC;
Pelos resultados numéricos da tabela 1, pode-se fazer uma analogia do compósito ensaiado (MLC) com as classes de resistência de madeiras maciças da NBR 7190/97 e, desta forma, chega-se a uma classificação de uma espécie de uma conífera da classe C20 ou C25;
Considerações importantes podem também ser feitas com relação à análise de escorregamento entre as lâminas. Analisando as séries temporais de deformações específicas tem-se que estas são lineares, como era de se esperar para materias sólidos que trabalham em regime elástico, ou seja, sem perder rigidez, porém, as grandezas dos valores de deformações específicas entre lâminas correspondentes (equidistantes do centro de gravidade até as fibras em tração e até as fibras de compressão), não se apresentaram simétricos, o que pode indicar algum escorregamento entre as lâminas. Mesmo assim, a diferença de 20% na ordem de 10-6 m/m é pouco significativa a ponto de concluir que as vigas não são seguras para emprego em estruturas.
Finalmente, como conclusão pode-se comprovar o bom desempenho de estruturas de madeira laminada colada, tanto em termos de capacidade de carga, leveza e segurança na sua utilização.
Autores: Adaílton Rogério de Oliveira e Karin Maciel Albino, Engenheiros Civil pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR); Alessandro Odorizzi, Especialista em Patologia de Estruturas pela UTFPR; Elisabeth Penner Professora Doutora da UTFPR