2 - Notas de aula - Parte II - Madeira

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CURSO TÉCNICO DE EDIFICAÇÕES PROJETOS ESTRUTURAIS

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PARTE II

3 ESTRUTURAS DE MADEIRA

Apesar de que a madeira vem sendo a matéria prima mais usada para edificações desde tempos remotos, o avanço em sua tecnologia não cessa. Atualmente novas técnicas de utilização da madeira vêm sobrepujando os alarmismos em relação ao seu esgotamento, pois se desenvolveram também os manejos sustentáveis de algumas espécies, possibilitando a não exploração das espécies mais suscetíveis à extinção. Claro que a erradicação do desmatamento é uma questão cultural, comercial e política, e não é foco deste trabalho, portanto serão apresentadas a seguir, algumas características dos projetos em estrutura de madeira reflorestada.

3.1 Vantagens e desvantagens

Boa resistência: a madeira é um material com boa resistência a tração, a compressão e a flexão e é, portanto pode ser usada em todos os tipos de elementos estruturais. Entretanto, ela tem resistência inferior ao aço e ao concreto armado, e isto reduz os vãos que as estruturas de madeira podem ser construídas;

Baixo peso: a madeira é um material de baixo peso com uma alta relação resistência/peso. Portanto, produzindo estruturas de baixo peso com elementos que podem ser facilmente transportados e movimentados para o canteiro de obras;

Maleabilidade: a madeira pode ser facilmente cortada e moldada utilizando ferramentas simples. E também outros elementos podem ser ligados a ela utilizando conectores simples, tais como: pregos e parafusos, fazendo assim com que os detalhes nas estruturas de madeira sejam muito simples;

Desempenho ao fogo: a madeira é um material combustível, entretanto ela tem uma taxa de consumo muito baixa e também ela não perde suas propriedades estruturais quando exposta a altas temperaturas. Portanto, ela continua a funcionar até sua seção transversal ser reduzida e uma alta tensão ocorrer;

Durabilidade: os constituintes da madeira são relativamente estáveis quimicamente e o material não sofre degradações químicas em certos ambientes, tais como: alta umidade. Entretanto, ela é suscetível as infestações de insetos xilófagos, que perfuram a madeira em busca de alimento e abrigo, ataques de fungos apodrecedores, que causam o apodrecimento da madeira e dos furadores marinhos, que perfuram a madeira em contato com a água do mar;

Aparência: a madeira é um material que tem uma aparência agradável a qual normalmente não deteriora com o passar do tempo. Ela então pode ser usada na combinação de material estrutural e de acabamento;

Variabilidade: a madeira exibe uma variação considerável de propriedades devido a sua condição de material natural.

3.2 Sobre a estrutura da madeira

O estudo de estruturas de madeira é bem complexo, de uma maneira geral, deve-se conhecer:

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Classificação das árvores

Fisiologia da árvore

Anatomia do tecido lenhoso

Alguns tipos de defeitos da madeira Sobre as propriedades físicas da madeira:

Densidade

Resistência da madeira ao fogo

Durabilidade natural

Resistência química

Umidade É dada pela quantidade de água infiltrada na madeira, e é medida através da porcentagem de água infiltrada, em relação a sua massa quando seca.

Massa Específica De um modo geral, a madeira apresenta uma massa específica bastante reduzida, se comparada com outros tipos de materiais estruturais. Tal característica é bastante relevante na etapa de especificação dos materiais que constituirão a estrutura. A massa específica pode ser básica ou aparente: a básica é calculada através do quociente entre a massa seca e o volume saturado da peça. Por outro lado, a massa específica aparente é calculada considerando-se o volume de uma peça de madeira com umidade de 12%.

Retrabilidade É a característica relativa à diminuição (retração) das dimensões da madeira devido à perda de água impregnada. A madeira possui maior retrabilidade na direção tangencial seguida pelas direções radial e axial.

Módulo de elasticidade Para a madeira há diversos tipos de módulo de elasticidade, que dependem do tipo de esforço e da direção do mesmo em relação às fibras. O módulo de elasticidade básico é na direção longitudinal, na compressão ou tração, paralela às fibras. Os módulos de elasticidade são definidos em função do tipo de esforço: paralelo ou normal às fibras, flexão e torção. O módulo de elasticidade é uma característica relativa a cada material. É a constante utilizada para determinar o estado das tensões, no regime elástico do material.

Sobre a secagem da madeira:

Defeitos devido à secagem Entre outras características.

3.3 Anisotropia da madeira

As propriedades da madeira são condicionadas por sua estrutura anatômica, devendo distinguir-se os valores correspondentes à tração dos correspondentes à compressão, bem como os valores correspondentes à direção paralela às fibras dos correspondentes à direção normal às fibras. Diz-se que um material é anisotrópico quando as propriedades físicas ou químicas não apresentam as mesmas características nas diversas direções em que se pode analisar tal material. O processo de crescimento da árvore determina uma simetria axial e uma direção predominante das células que constituem o lenho. Este arranjo resulta na anisotropia da madeira.

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Devido à constituição da árvore, as suas propriedades físicas, mecânicas e tecnológicas não são as mesmas nos três sentidos principais: axial, radial e tangencial. Portanto a madeira é um material anisotrópico.

A qualidade da madeira é influenciada pelos equipamentos. Se o maquinário da indústria for inadequado ou obsoleto, a eficiência de conversão das toras em madeira serrada será menor. Ou seja, a mesma árvore vai gerar menos madeira. A obtenção da maior quantidade possível de tábuas, sarrafos e ripas de madeira só é possível com o estudo de cada tora retirada das florestas. Mesmo realizando todos os estudos para o melhor aproveitamento de uma tora, peças de mesma dimensão terão comportamentos diferentes, devidas a posição das fibras em que foram retiradas.

Embora a madeira seja suscetível ao apodrecimento e ao ataque de insetos sob condições específicas, ela é um material muito durável quando utilizada com tecnologia, pois pode ser efetivamente protegida contra deterioração por período de 50 anos ou mais. Além disso, a madeira tratada com preservativos requer pouca manutenção e pinturas. As madeiras usadas na construção podem passar por diferentes tipos de tratamento:

Pré-tratamento: superficial, protege a madeira recém-serrada contra fungos e insetos xilófagos apenas durante a secagem. As pranchas são mergulhadas em tanque com fungicidas e inseticidas e não protege a madeira quando em uso.

Tratamento preservativo: usa produtos que protegem contra organismos xilófagos, prolongando sua vida útil. É feito de acordo com as condições de exposição. Peças com finalidade estrutural podem passar por tratamento sob pressão, realizado em autoclaves, onde a madeira é impregnada com fungicidas e inseticidas. Após o tratamento, as peças passam por máquinas que eliminam deformações, dando o acabamento desejado. Ao chegar à obra, a madeira é entregue sem proteção superficial e a pintura ou envernizamento definitivo é feito depois da instalação.

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3.4 Métodos para a preservação de cada peça

Nas paredes externas deve-se evitar fendas e fissuras, as juntas devem ser bem vedadas ou adequadamente dimensionadas e detalhadas para evitar o acúmulo de água;

A utilização de pingadeiras em soleiras e planos de fachada com o objetivo de diminuir a exposição prolongada da madeira a umidade;

O sistema de cobertura é muito importante na proteção da edificação contra as águas da chuva. Os planos de telhados devem ter inclinação suficiente para garantir o adequado sistema de caimento das águas.

O uso de condutores de águas pluviais é muito importante;

A fundação pode ser utilizada pelos insetos como meio de acesso a estrutura. Para evitar este acesso, a alvenaria de blocos deve ser impermeabilizada e os buracos de tijolos devem ser fechados.

3.5 NBR 7190:1997 - Projeto de Estrutura de Madeiras

As ligações são elementos fundamentais numa estrutura de madeira, pois os esforços são transmitidos por elas. Para dimensionamento e execução deve ser consultada a NBR 7190:1997 - Projeto de Estrutura de Madeiras, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Além da escolha da espécie de madeira, com verificação do teor de umidade compatível com o local, é preciso controlar defeitos como rachaduras, nós, furos, apodrecimento, desalinhamentos, esmoados e fissuras de compressão. A precisão nos furos na disposição dos conectores contribui para melhorar a resistência e a durabilidade.

3.5.1 Classes de umidade

As classes de umidade têm por finalidade ajustar as propriedades de resistência e de rigidez da madeira em função das condições ambientais onde permanecerão as estruturas. Estas classes também podem ser utilizadas para a escolha da classes de tratamento preservativos a ser utilizado na madeira, conforme tabela 7 da NBR 7190, abaixo.

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3.5.2 Classes de carregamento

É a duração acumulada prevista para a ação variável tomada como principal na combinação de ações. As classes de carregamento estão especificadas na tabela abaixo:

Carregamento normal: ações decorrentes do uso previsto para a construção, considerado de longa duração, verificado nos estados limites últimos e de utilização. Ex: o peso próprio e a ação do vento em uma estrutura de cobertura.

Carregamento especial: ações variáveis de natureza ou intensidade especiais, superando os efeitos de um carregamento normal. Ex: o transporte de um equipamento especial sobre uma ponte.

Carregamento excepcional: ações com efeitos catastróficos. Ex: terremoto.

Carregamento de construção: os procedimentos de construção podem levar a estados limites últimos. Ex: o içamento de uma treliça. Obs.: Determina-se a classe de carregamento através da duração acumulada da situação de risco.

3.5.3 Situações de projeto

Duradouras: são verificados os estados limites últimos e de utilização, devem ser consideradas em todos os projetos e tem a duração igual ao período de referência da estrutura.

Transitória: quando a duração for muito menor que o período de vida da construção. Deve ser verificada quando existir um carregamento especial para a construção e na maioria dos casos pode-se verificar apenas estados limites últimos.

Excepcionais: a duração é considerada extremamente curta e são verificadas para os estados limites últimos.

Essa norma, estabelece também os parâmetros a serem atendidos em projeto, no seu item 5.5 Ações nas estruturas de madeira:

No projeto das estruturas correntes de madeira devem ser consideradas as ações seguintes, além de outras que possam agir em casos especiais: a) carga permanente; b) cargas acidentais verticais; c) impacto vertical; d) impacto lateral

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e) forças longitudinais; f) força centrífuga; g) vento.

Entretanto, para os fins das atividades exercidas por um técnico de edificações, serão apresentadas a seguir alguns conceitos para a correta representação e leitura de um projeto, bem como alguns sistemas construtivos de maneira sucinta.

Representação de um projeto de estruturas de madeira Fonte: NBR 7190:1997

3.6 Telhados

O telhado tem a função básica de cobrir e proteger uma residência ou um edifício das intempéries da natureza. Esta parte da edificação compõe-se de duas partes principais, a cobertura e a armação. A primeira normalmente utiliza telhas feitas de cerâmica ou de concreto. Ou telhas feitas de chapas de cimento-amianto, aço zincado, alumínio, PVC ou “fiber-glass”. Já a armação corresponde ao conjunto de elementos estruturais que sustenta a cobertura, tais como: ripas, caibros, terças, tesouras ou pontaletes e contraventamentos. Os elementos estruturais executados em madeira costumam ter a mesma nomenclatura das peças de concreto ou aço, como vigas, pilares, estacas, etc. Entretanto as estruturas de cobertura recebem, além dos elementos tradicionais, algumas características próprias, como as exemplificadas a seguir:

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3.6.1 Madeiramento do telhado

O quadriculado formado por terças, caibros e ripas é chamado de TRAMA como mostra a figura abaixo. O apoio da trama é conseguido através das tesouras ou dos pontaletes. É importante entender que a trama pode ser composta somente de terças quando a cobertura do telhado utiliza telhas do tipo cimento-amianto por exemplo.

Ripas

As ripas constituem a última parte da trama e são dispostas perpendicularmente aos caibros. Elas são encontradas em seções de 1,2 x 5,0 cm ou 1,5 x 5,0 cm, com comprimentos que variam de 0,5 m em 0,5 m de 2,5 m a 5,0 m. O espaçamento entre duas ripas consecutivas vai ser determinado pela telha utilizada.

Caibros Os caibros apoiam-se nas terças e servem de apoio às ripas. Sua disposição é perpendicular ás terças e á cumeeira. Normalmente eles são encontrados com seções transversais de 5 x 6 cm e 6 x 6 cm, com comprimentos com variação de 0,5 m de 2,5 m a 5,0 m.

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Terças

Normalmente as terças são os elementos mais longos da trama e apoiam-se nas tesouras ou nos pontaletes. Sua disposição no telhado é paralela à cumeeira e perpendicular ao banzo superior da tesoura. Elas são disponibilizadas comercialmente nas bitolas de 6 x 12 cm e 6 x 16 cm, com comprimentos variando também de 0,5 m, de 2,5 m a 5,0 m. Quando o tipo a telha for cerâmica, e o vão entre tesouras ou entre pontaletes não exceder 2,5 m, utiliza-se terças de 6 x 12 cm, mas quando o vão está entre 2,5 m e 3,5 m, terças de 6 x 16 são mais adequadas. Mas no caso de telhas do tipo fibrocimento ou metálica o espaçamento entre tesouras ou pontaletes vai variar de 3 a 5 ou 3 a 6 metros respectivamente.

Apoio da Trama Convencionalmente tem-se utilizado a tesoura para o apoio da trama, quando se deseja vencer um vão sem apoios intermediários. Entretanto, para telhados residenciais com laje de forro, as tesouras nem sempre são as estruturas mais eficientes, sendo assim, os pontaletes é uma alternativa de apoio da trama. As tesouras são estruturas planas verticais, projetadas para receber cargas que atuam paralelamente ao seu plano e transmitindo-as aos seus apoios. Na figura abaixo, uma tesoura HOWE é mostrada identificando os seus elementos. Essa tesoura é a mais empregada no Brasil para estruturas de madeira de telhado residenciais.

Embora esse tipo de tesoura não seja o mais econômico, pois os montantes que podem ser ligadas por parafusos, pinos circulares de madeira ou mesmo pregos, são mais curtos e sofrem esforços de tração. Já as diagonais, que normalmente são entalhadas, sofrem esforços de compressão.

Pontalete O pontalete é uma peça vertical que trabalha à compressão, e não é fixado na laje e sim num berço de madeira que é simplesmente apoiado na laje de forro. Sua estabilidade é adquirida pelo peso próprio do telhado. E a distribuição da carga do telhado será concentrada sobre a laje, sendo necessário o posicionamento dos pontaletes na direção das paredes no caso do uso de laje pré-moldadas. E no caso de laje maciça o pontalete poderá ser apoiado em qualquer ponto da mesma.

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Estrutura de telhado em sistema de pontaletes (sem tesoura)

3.6.2 Detalhes Construtivos para tesouras de cobertura em madeira

A fim de identificar as principais nomenclaturas e sistemas construtivos, apresentamos o detalhamento de um tipo de tesoura. O exemplo em questão salienta as peças de travamento e dimensões de entalhes, como segue:

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3.1 Ligações entre peças

As ligações entre peças se constituem o principal elemento que garante que peças independentes se transformem numa estrutura rígida, resistente e condizente com o uso que terá. Há estudos minuciosos para determinar o desempenho dessas ligações, a partir dos esforços a que estarão submetidas, pois frequentemente, a madeira responde de maneira única se comparado a qualquer outro material. No comparativo, resistência mecânica / densidade, a madeira leva uma grande vantagem sobre o aço, e o concreto armado. Vamos tomar, como exemplo, uma viga de 3m de comprimento apoiada nas extremidades, e que deverá suportar uma carga de 20 toneladas:

Viga em madeira (Pinho vermelho): pesará 60kg

Viga em aço laminado: pesará 80kg

Viga em concreto armado: pesará300kg

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3.2 Encaixes diretos em peças de madeira roliça

Confecção da ligação p/ entalhe, de encaixe cilíndrico, no topo da peça.

Ligações por cavilhas

Ligações com barras rosqueadas, arruelas e porcas e Ligações deste sistema em peças roliças

O uso de peças metálicas para a ligação das peças, confere um avanço na utilização e tamanho das peças e vãos das edificações. Principais tipos de ligações com consoles metálicos perfurados e parafusados: Topo de colunas que suportam vigas contínuas

de madeira Topo de colunas que suportam vigas contínuas

de madeira serrada

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Extremidades de vigas roliças que apóiam nas colunas

Extremidades de vigas roliças que apóiam em vigas ou pilares de madeira serrada

Extremidades de vigas serradas que apóiam em

colunas

Vigas roliças de transição onde nascem colunas

3.3 Madeira serrada

Quanto a madeira serrada, abaixo encontram-se alguns detalhes construtivos mais usados no projeto de estruturas de madeira elaborado pelo Engº Alan Dias, percebe-se que as ligações entre peças utilizam ou parafusos ou peças especiais de aço:

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Encaixe e ligações entre vigas

Tesouras e Pilares

Ligações entre vigas

Fonte: carpinteria.com.br Apesar das inúmeras possibilidades que a madeira oferece, indubitavelmente, na construção civil atual o maior uso da madeira está na confecção de formas para a concretagem das peças da edificação, residências de conceito rústico ou edificações com apelo de obra de arte.

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Uma gestão eficiente da construção passa por um bom projeto de formas, tornando sua execução mais eficiente e econômica. Atualmente existem diversos sistemas de formas, escoramentos e cimbramentos para as estruturas a serem concretadas, que usam madeira, aço e alumínio, que serão descritos no capítulo 7.

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