Estruturas de Madeira: Vantagens e Tipos

Estruturas de Madeira: Por que construir com madeira?

A madeira é uma das matérias-primas mais antigas usadas na construção, desde as civilizações primitivas até as mais desenvolvidas. Ela se mostra cada vez mais vantajosa na arquitetura moderna, devido a fatores como durabilidade e resistência.

A madeira está presente em todas as etapas de uma obra: fôrmas, estruturas, escoramentos, forros, pisos, esquadrias, revestimentos e mobiliário. Seu uso é valorizado por arquitetos e engenheiros devido à beleza e sofisticação. O desafio é alinhar o uso da madeira com a sustentabilidade.

Vantagens das Estruturas de Madeira

1. Resistência a Xilófagos

Madeiras como o Jatobá apresentam alta resistência ao ataque de organismos xilófagos (que se alimentam de madeira). Eles só atacam madeiras com sinais de apodrecimento.

2. Segurança Contra Incêndio

A madeira não oxida. O metal, sob altas temperaturas, deforma-se, perdendo função estrutural. O ferro do concreto armado, sem recobrimento adequado, também perde função em caso de incêndio.

A madeira, na natureza, já desempenha função estrutural. Após serrada, funciona como elemento pré-moldado, de fácil montagem. Sua resistência é determinada pela espécie e manejo.

3. Manutenção

Detalhes de projeto evitam o apodrecimento precoce:

• Evitar pontos de condensação de água.
• Aplicar impermeabilizantes em encaixes e apoios.
• Utilizar a madeira a 20 cm ou mais acima do solo.
• Deixar espaço livre entre assoalho e solo para ventilação.
• Deixar espaço livre entre forro e cobertura para ventilação.

4. Economia de Energia

Comparando a energia despendida na construção de um pavilhão com diferentes materiais estruturais (madeira, concreto armado, ferro e alumínio), desde a fabricação até o final da obra, temos:

• Madeira: 1 unidade
• Concreto armado: 6 unidades
• Ferro: 16 unidades
• Alumínio: 160 unidades

A madeira é produzida na natureza, mas não deve ser explorada de forma insustentável.

5. Mão de Obra e Equipamentos

Madeira:

• Materiais: madeira, pregos, parafusos.
• Mão de obra: carpinteiros.
• Equipamentos: serra circular, furadeira, grampos.

Concreto:

• Materiais: cimento, madeira (descartável), pregos, parafusos, arame, areia, brita, água, acabamentos.
• Mão de obra: carpinteiros, armadores.
• Equipamentos: serra circular, furadeira, tesoura de cortar ferro, chave de dobrar ferro, betoneira, vibrador.

6. Modificações no Projeto

Alterações em projetos de casas de madeira são mais simples e baratas. Erros e mudanças em casas de alvenaria geram desperdício, enquanto em casas de madeira, os materiais podem ser facilmente reciclados.

7. Sustentabilidade e Consciência Ambiental

Casas de madeira são ecologicamente corretas e saudáveis. Sua produção emite menos gás carbônico, e a construção gera menos desperdício e consome menos energia. A madeira retém calor e protege contra o frio, reduzindo a necessidade de aquecedores ou ar condicionado. É naturalmente quente no inverno e fresca no verão.

A madeira é um material tecnológico e sustentável. Pesquisadores afirmam que o objetivo é superar barreiras técnicas para que a construção civil utilize mais esse material.

Sistemas Estruturais de Madeira

Norma: ABNT NBR 7190/1197 (2012)

Classificação das Árvores

As árvores são classificadas como vegetais superiores, com complexidade anatômica e fisiológica. São subdivididas em:

• Gimnospermas
• Angiospermas

Gimnospermas (Coníferas)

• Árvores sem frutos.
• Flores em forma de cones ou estróbilos (folhagem em forma de agulha).
• Madeira mole (softwoods).
• Predominam no hemisfério norte.
• Na América do Sul: Pinus e Araucária (Pinheiro-do-Paraná).

Angiospermas

• Vegetais mais evoluídos (flores e frutos).
• Frutos protegem as sementes e enriquecem o solo.
• Divididas em: Monocotiledôneas e Dicotiledôneas.

Monocotiledôneas

• Palmas: madeiras pouco duráveis, usadas em estruturas temporárias.
• Gramíneas: Bambu (boa resistência mecânica e leveza).

Dicotiledôneas

• Madeiras duras (hardwoods) - principais madeiras estruturais na construção civil.

Fisiologia da Árvore

A árvore cresce verticalmente. A cada ano, há um novo crescimento vertical e uma nova camada se sobrepõe às antigas. Em um corte transversal do tronco, essas camadas são os anéis de crescimento (Xilema). São mais evidentes em regiões temperadas.

• Casca: Proteção contra agentes externos. Dividida em camada externa (células mortas) e interna (tecidos vivos).
• Lenho: Parte resistente do tronco. Dividido em:
  • Alburno: Madeira jovem, permeável, menos densa, sujeita a fungos e insetos, menor resistência.
  • Cerne: Modificações do alburno, mais denso e resistente.
• Câmbio: Camada delgada entre casca e lenho, visível com lentes. Parte viva da árvore, responsável pelo aumento do diâmetro.

Vantagens das Estruturas de Madeira (Continuação)

a) Elevada resistência mecânica.

b) Facilidade de ser trabalhada: Carpinteiros podem construir detalhes com ferramentas simples.

c) Ótimo isolamento térmico: A madeira cumpre bem a função térmica.

d) Obtenção do material próximo à obra: Comprovado mesmo em regiões remotas.

e) Resistência ao fogo: Bem dimensionada, a madeira apresenta resistência superior a outros materiais. A camada carbonizada externa age como isolante térmico. Estruturas metálicas perdem resistência em cerca de 10 minutos em temperaturas acima de 500°C.

Desvantagens das Estruturas de Madeira

a) Falta de Homogeneidade:

a.1) Anisotropia: Variação das propriedades físicas e mecânicas conforme a direção (L = Longitudinal, R = Radial, T = Tangencial).

Na prática, as direções Radial e Tangencial são agrupadas como "direção normal às fibras". A direção Longitudinal é chamada de "direção paralela às fibras".

a.2) Variação das propriedades dentro da própria espécie.

a.3) Apresentação de defeitos.

b) Higroscopia: Variação de volume e resistência mecânica com a variação da umidade.

c) Durabilidade limitada: Ataques de fungos e insetos. Processos de secagem e tratamentos preservativos garantem durabilidade de 50 anos ou mais.

d) Defeitos: A quantidade de defeitos determina a qualidade das amostras.

Higroscopia (Detalhes)

Madeira sólida: sem umidade.

Água livre: nas cavidades das células, fácil de eliminar.

Água impregnada: nas paredes das células, difícil de eliminar.

Ponto de Saturação das Fibras (PSF): mínimo de água livre e máximo de água de impregnação (aproximadamente 25% nas madeiras brasileiras).

Para fins estruturais, a NBR-7190 especifica 12% de umidade como Teor de Referência.

Defeitos da Madeira

É improvável obter madeira isenta de defeitos. Os defeitos podem ser:

• Defeitos na forma do tronco:
  • Tortuosidade: Comum, devido a luminosidade, folhagem assimétrica, cipós, etc.
  • Bifurcação: Tronco se divide em dois.
• Defeitos de Secagem:
  • Rachaduras: Aberturas radiais no topo da peça.
  • Fendilhamento: Pequenas aberturas ao longo da peça.
  • Empenamento: Distorção em relação ao plano da superfície.
• Defeitos por agentes físicos e bióticos:
  • Weathering: Descoloração, levantamento da grã, enfraquecimento.
  • Apodrecimento: Fungos e bactérias afetam a resistência.
  • Ataque por insetos: Perfuração de canais e câmaras.

Agentes Externos - Cupins

Cupins se alimentam de celulose (madeira, papel, tecidos, gesso, alvenaria). Existem cerca de 2.200 espécies, 500 no Brasil. Três são importantes:

• Cupim de solo ou subterrâneo.
• Cupim de madeira seca.
• Cupim de pântano.

Painéis e Placas de Madeira

O setor de produtos florestais inclui madeira em tora, madeira serrada, painéis de madeira, pasta de madeira e papel. As principais cadeias produtivas são construção civil e moveleira.

Painéis de madeira reconstituídos:

• Compostos laminados: laminados e sarrafeados.
• Compostos particulados:
  • Painéis de fibras: MDF, HDF, MDP.
  • Painéis aglomerados: compensados, waferboard, OSB.

Painel Compensado

Lâminas unidas sob pressão por adesivo. Madeira macia (softwood) ou dura (hardwood). Número ímpar de camadas, com a grã perpendicular entre camadas adjacentes. Camadas podem ter uma ou mais lâminas com grãs paralelas.

Painéis Particulados

Aglomerado: partículas de pinus aglutinadas com adesivo sintético. Pouca durabilidade e resistência à umidade. Material de baixo custo.

Painéis Laminados

Número ímpar ou par de lâminas, mas sempre ímpar de camadas (orientação das grãs). Lâminas variam em número, espessura, espécie e classe. A alternância da grã confere estabilidade dimensional.

Painéis de Partículas Orientadas (OSB - Oriented Strand Board)

Placas de partículas orientadas, em várias dimensões e espessuras. Surgiram nos EUA na década de 1970. Produzidas a partir de árvores de crescimento rápido (pinho marítimo, no Brasil eucalipto). Partículas (10 x 2,5 cm) aglomeradas sob calor e pressão com resinas e produtos químicos. A resina mais utilizada é a Fenol-Formaldeído (resina fenólica).

Painéis de MDF (Medium Density Fiberboard)

Fibras de madeira aglutinadas com resinas sintéticas sob temperatura e pressão. Estrutura homogênea e isotrópica. Destinado à indústria moveleira. Permite vários acabamentos. Substitui compensado e madeira serrada. Surgiu na década de 1960 como substituto da chapa de fibra dura.

Painéis de HDF (High Density Fiberboard) e SDF (Super Density Fiberboard)

Mesmo processo do MDF, com fibras de Pinus e Eucalipto. Placas de alta resistência, usadas na indústria moveleira e pisos de alta performance.

Painéis de Madeira e Sustentabilidade

• Alternativos à madeira maciça.
• Placas maiores que as de madeira maciça.
• Utilizam subprodutos do corte e laminação.
• Materiais não utilizáveis geram energia para o processo.

Propriedades Físicas da Madeira

Influenciam no desempenho e resistência:

• Espécie da árvore.
• Solo e clima.
• Fisiologia da árvore.
• Anatomia do tecido lenhoso.
• Variação da composição química.

Características da Madeira

• Umidade.
• Densidade.
• Retratibilidade.
• Resistência ao fogo.
• Durabilidade natural.
• Resistência química.

A madeira é um material ortotrópico (comportamento diferente em relação à direção das fibras).

Teor de Umidade

Água na madeira:

• Água livre: nas cavidades.
• Água impregnada: nas paredes das células.

Ponto de Saturação das Fibras (PSF): mínimo de água livre e máximo de água de impregnação (cerca de 25% nas madeiras brasileiras). Para fins estruturais: 12% de umidade (referência para ensaios).

Densidade

Norma Brasileira:

• Densidade Aparente.
• Densidade Básica.

Densidade Básica: massa seca / volume saturado.

Densidade Aparente: determinada para 12% de umidade (usada em cálculos de estruturas). m = massa, V = volume a 12% de umidade.

Retratibilidade

Redução das dimensões pela saída de água de impregnação. A retração ocorre em porcentagens diferentes nas direções tangencial, radial e longitudinal.

Resistência ao Fogo (Repetição com Ênfase)

A madeira, quando bem dimensionada, apresenta resistência ao fogo superior à de outros materiais estruturais. A camada carbonizada externa atua como isolante térmico, retardando a propagação do fogo. Estruturas metálicas perdem resistência rapidamente em altas temperaturas.

Durabilidade Natural

Depende da espécie e características anatômicas. O cerne e o alburno têm durabilidades diferentes (alburno mais vulnerável).