Influência do Comprimento de Corpos-de-Prova na Obtenção do Módulo de Elasticidade E_c0

Influence of the Length of Test Specimens in Obtaining Modulus of Elasticity E_c0

RESUMO

As dimensões de corpos-de-prova para caracterização da madeira são estabelecidas sempre buscando situações em que seja anulada a interferência do atrito nas medidas de deformação. A NBR 7190 (ABNT, 1997) - Anexo B adota corpos-de-prova para o ensaio de compressão paralela às fibras com relação 1:3 entre uma aresta da seção transversal (50 mm) e o comprimento, enquanto a COPANT 464 (COPANT, 1972) e ASTM D 143 (ASTM, 1982) estabelecem a de 1:4. Este trabalho objetivou determinar se as proporções 1:3, 1:4 e 1:5 nos corpos-de-prova, referentes aos comprimentos de 150, 200 e 250 mm, respectivamente, influenciam o E_c0 obtido na compressão paralela às fibras. As análises foram realizadas nas espécies Canelão (Nectandra membranacea), Corymbia citriodora e Angelim (Vatairea sp.). Os valores de E_c0 para as espécies citadas apresentaram-se estatisticamente equivalentes entre si, ao nível de 5% de significância, demonstrando que as variações nos comprimentos dos corpos-de-prova não afetaram esta propriedade.

Palavras-chave:
madeira; compressão paralela às fibras; módulo de elasticidade; comprimento de corpos-de-prova.

ABSTRACT

The dimensions of test specimens employed in wood characterization are always established searching situations where friction interference is annulled in deformation measurements. NBR 7190 norm (ABNT, 1997) - Annex B adopts specimens to compression parallel to grain tests with 1:3 ratio between the side (50 mm) of cross section and length, while COPANT 464 (COPANT, 1972) and ASTM D 143 (ASTM, 1982) establish 1:4 ratio. The purpose of this research was to determine whether 1:3, 1:4 and 1:5 ratios in the specimens, referring respectively to 150, 200 and 250 mm lengths could influence the E_c0 obtained in compression parallel to grain test. Analyses were performed in ‘Canelao’ (Nectandra membranacea), Corymbia citriodora and ‘Angelim’ (Vatairea sp.) species. E _c0 values for the mentioned species were statistically equivalent at 5% significance level, demonstrating that length variation did not affect the property values analyzed.

Keywords:
wood; compression parallel to the grain; modulus of elasticity; length of specimens.

1. INTRODUÇÃO

Devido à diversidade de espécies com propriedades e usos diferenciados, as madeiras constituem-se em um dos principais materiais empregados em todas as etapas da construção civil (Cury & Tomazello Filho, 2011). Por caracterizar-se como um material heterogêneo, em termos de estrutura anatômica, e anisotrópico, torna-se necessário o conhecimento de suas propriedades mecânicas, para melhor direcionamento deste material, já que estas servem de critério para seleção e dimensionamento de peças estruturais.

Dentre as propriedades mecânicas, a compressão paralela às fibras fornece o módulo de elasticidade (E_c0) que determina a rigidez da madeira nesta direção, na fase de comportamento elástico-linear. Neste caso, a força é aplicada na direção paralela ao comprimento das células. Estas, em conjunto, proporcionam significativa resistência, em especial comparando-se à mesma solicitação na direção perpendicular. Geralmente, esta propriedade é empregada para dimensionamento de colunas e vigas, de ligações ou para comparação entre espécies.

Segundo Melo (2010), as normas referentes ao dimensionamento de estruturas utilizam os valores de resistência obtidos em ensaios de caracterização em pequenos corpos-de-prova sem defeitos, determinando as tensões para os cálculos devido ao elevado custo na caracterização de peças de tamanho estrutural. Além disso, estes pequenos corposde-prova permitem a eliminação da influência de defeitos como nós, rachaduras, inclinação das fibras e teor de umidade nestes ensaios.

As dimensões dos espécimes empregados na caracterização da madeira são estabelecidas pelos documentos normativos, sempre buscando alcançar situações em que seja anulada a interferência do atrito nas medidas de deformação dos corpos-deprova, o que provocaria influência direta no valor módulo de elasticidade longitudinal (E). A norma NBR 7190 (ABNT, 1997), em seu Anexo B, adota para a compressão paralela a relação 1:3 entre lado da seção transversal e comprimento. Os documentos normativos COPANT 464 (COPANT, 1972) e ASTM D 143 (ASTM, 1982) estabelecem a proporção de 1:4 para as mesmas dimensões.

Poucos são os estudos que abordam a influência das dimensões dos espécimes nas propriedades da madeira.

Dias & Lahr (1995) estudaram a variação das dimensões de corpos-de-prova na propriedade de compressão normal às fibras de diferentes espécies, nas condições de 12% de umidade e condição saturada. Os corpos-de-prova apresentavam seção quadrada de 40 × 40 mm e 50 × 50 mm, e relações de seção: comprimento de 1:2 e 1:3. Os autores concluíram que, as amostras de dimensões 50 × 50 × 100 mm, conforme prescreve a NBR 7190 (ABNT, 1997) possibilitaram maior precisão de esquadro na preparação dos corpos-de-prova e menor instabilidade no ensaio.

Melo (2010) abordou em seus estudos a influência das dimensões de corpos-de-prova das espécies Cumaru (Dipterix odorata), Jequitibá (Allantoma lineata) e Quaruba (Vochyisia guianensis), com 5 variações nas seções transversais, a cada 10 mm, de 50 × 50 mm até 10 × 10 mm e proporcionalmente seus comprimentos, com base na relação da norma COPANT 464 (COPANT, 1972). Quanto à compressão paralela às fibras, observou-se uma diminuição na tensão de ruptura para corposde-prova de menores dimensões, comprovados pela diferença estatística a 5% de significância entre si, para ambas as espécies.

O trabalho em questão objetiva o estudo das variações dos comprimentos de corpos-de-prova das espécies tropicais Canelão (Nectandra membranacea), Corymbia citriodora e Angelim (Vatairea sp.), no módulo de elasticidade longitudinal obtido pelo ensaio de compressão paralela às fibras.

2. MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeira (LaMEM), do Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. Foram utilizadas, para este estudo, as espécies tropicais Canelão (Nectandra membranacea), Corymbia citriodora e Angelim (Vatairea sp.). Para determinação da propriedade de rigidez na compressão paralela às fibras, conforme Anexo B da NBR 7190 (ABNT, 1997), retiraram-se 6 corpos-de-prova de cada espécie, todos com seção transversal de 50 × 50 mm e relação entre seção transversal e comprimento de 1:5, 1:4 e 1:3, sendo os comprimentos de 250, 200 e 150 mm, respectivamente. A Figura 1 ilustra o corpo de prova na relação de 1:3, conforme preconiza a norma brasileira.

Figura 1
Dimensões do corpo de prova de compressão paralela às fibras, em centímetros.
Figure 1
Dimensions of specimen to compression parallel to the grain tests, in centimeters. Fonte: NBR 7190 (ABNT, 1997).

As caracterizações foram realizadas em máquina universal de ensaios AMSLER, com capacidade de carga de 250 kN. As deformações foram medidas empregando-se relógios comparadores, com precisão de 0,001 mm. Inicialmente, foram ensaiadas as amostras de maior comprimento (250 mm) e das mesmas retiradas as demais para análise, de 200 e 150 mm. Determinou-se a carga de ruptura por meio do rompimento de um corpo de prova de cada espécie, sendo os demais ensaiados com carga até 50% deste valor estimado, ou seja, dentro do regime elástico. A Figura 2 apresenta o ensaio realizado.

Os resultados foram expressos por meio dos valores médios e coeficientes de variação. Os valores obtidos foram analisados estatisticamente por meio de análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey (entre médias), ao nível de 5% de significância, empregando o software Minitab 16.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 1 a seguir apresenta os valores médios e coeficientes de variação da propriedade de módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras (E_c0), das diferentes espécies e nos comprimentos analisados. A análise estatística foi realizada comparando-se os comprimentos analisados em relação à cada espécie.

Quanto ao valor médio da propriedade analisada, verificou-se que, para as espécies Canelão e Angelim, o E_c0 aumentou com a diminuição do comprimento, contrariamente ao ocorrido com o Corymbia citriodora. Além disso, não se observou o efeito de flambagem durante o ensaio dos corpos-deprova de maior comprimento.

Figura 2
Determinação da compressão paralela às fibras: corpos-de-prova (a) e ensaio (b).
Figure 2
Compression test parallel to the grain: specimens (a) and test (b).

Contudo, o módulo de elasticidade nos comprimentos analisados não diferiu estatisticamente entre si, para ambas as espécies, mesmo na relação de 1:5, a qual não é estabelecida por nenhuma das normas citadas. Os coeficientes de variação apresentaram-se coerentes com o aconselhado de 18% para as resistências e esforços normais, pela NBR 7190 (ABNT, 1997).

Objetivando analisar a influência do atrito nas medidas de deformação na compressão paralela às fibras, Xavier et al. (2012) ensaiaram corposde-prova da espécie Pinus pinaster Ait. com variações na seção transversal (20 × 20, 30 × 30 e 40 × 40 mm) e comprimentos (L = 30, 60 e 120 mm), resultando em 9 tratamentos. Os autores avaliaram experimentalmente o módulo de elasticidade longitudinal real (E_L), considerando-se dois métodos para a obtenção das deformações, através do DIC (correlação digital de imagem), também chamado de stereovision method, e também por medidas por extensômetros, conforme a norma ASTM D 143 (ASTM, 1982) (método convencional). Além disso, obtiveram-se medidas de deslocamento relativo das placas de compressão, por um transdutor diferencial variável linear (LVDT).

Tabela 1
Valores de módulo de elasticidade (E_c0) obtidos na compressão paralela às fibras.
Table 1
Modulus elasticity (E_c0) values obtained in compression parallel test.

Espécies	Ec0 (MPa)
	250 mm		200 mm		150 mm
	Média	CV (%)	Média	CV (%)	Média	CV (%)
Canelão	18.410a	6	18.578a	9	19.394a	16
Corymbia citriodora	16.186a	15	15.682a	7	15.960a	15
Angelim (Vatairea sp.).	19.238a	15	20.687a	12	20.193a	15

Letras diferentes determinam médias estatisticamente diferentes entre si, ao nível de 95% de probabilidade.

Os autores concluíram que o valor de módulo de elasticidade longitudinal (E_L) encontrado para os métodos de DIC e convencional são semelhantes, determinado pela equivalência estatística por meio do teste t (95% de probabilidade). Embora os valores das deformações (E_L) obtidas pelos dois métodos tenham se mostrado semelhantes, os valores do módulo de elasticidade (E_L^DIC), determinado com base no DIC, e do módulo de elasticidade aparente (E_L^a), determinado com base nas deformações do LVDT, apresentaram diferença estatística entre si Xavier et al. (2012) relacionaram esta diferença aos possíveis efeitos de atrito e de dano na microestrutura da madeira originado pelo contato entre os corposde-prova e as placas da máquina de ensaios, utilizada para aplicação de carga.

Posteriormente, os efeitos de atrito e de dano localizados foram quantificados, respectivamente, por um modelo numérico construído no ANSYS, que tem como base o modelo de elementos finitos, e por um modelo analítico de molas. No entanto, Xavier et al. (2012) constataram que o efeito do atrito na superfície do corpo de prova se torna insignificante com o aumento da altura (h) do corpo de prova, sendo que, desta maneira, a discrepância entre os valores dos módulos de elasticidade E_L^DIC e E_L^a é devida aos a determinação da deformação axial na madeira foi vantajoso por ser menos sensível à heterogeneidade da madeira.

No trabalho em questão, apesar da alteração nos comprimentos dos corpos-de-prova não afetarem os valores da propriedade de módulo de elasticidade, comprovada pela equivalência estatística, o fato de ocorrerem pequenas variações, no sentido de aumentar-se o valor de E_c0 com a diminuição do comprimento foi observada somente no caso do Canelão e Angelim, podendo associar-se o comportamento do Corymbia citriodora com uma possível ocorrência do fenômeno de “zona de contato danificada” com perdas em relação à microestrutura da madeira, conforme descrito por Xavier et al. (2012).

4. CONCLUSÕES

Conclui-se, por meio do trabalho desenvolvido, que a variação nas relações entre seção transversal e comprimento de corpos-de-prova das espécies estudadas não afetou o módulo de elasticidade obtido na compressão paralela às fibras. As pequenas variações desta propriedade nos diferentes comprimentos de ensaio, não consideráveis estatisticamente, podem estar relacionadas a possíveis danos na microestrutura da madeira em contato com as placas do equipamento durante o ensaio.

Menores proporções de comprimento e também danos na microestrutura da madeira provocada pelo contato entre a placa de carga e o corpo de prova. Além disso, corpos-de-prova com seções de 20 × 20 mm e alturas maiores que 60 mm acarretam valores mais consistentes do módulo de elasticidade; coincidentemente as dimensões de 20 × 20 × 60 mm têm sido propostas na ASTM D143 - padrão (ASTM, 2000), conforme mencionam Xavier et al. (2012). Estes autores afirmam que o stereovision method para seção transversal dos corpos-de-prova, em relação àquelas estudadas neste trabalho, deverão ser objeto de futura avaliação a fim de se analisar a influência dos efeitos de atrito e de danos nas superfícies das amostras no ensaio de compressão paralela às fibras, objetivando o emprego de menores amostras devido a possíveis dificuldades em obtê-las isentas de defeitos.

AGRADECIMENTOS

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq, à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP e à Fundação para o Incremento da Pesquisa e do Aperfeiçoamento Industrial - FIPAI pelas bolsas concedidas, e aos técnicos do Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeira - LaMEM, SET, USP.

REFERÊNCIAS

• American Society for Testing and Materials - ASTM. ASTM D143: Standard methods of testing small clear specimens of timber. Philadelphia: ASTM; 1982.
• American Society for Testing and Materials - ASTM. ASTM D143-94: Standard methods of testing small clear specimens of timber. In: American Society for Testing and Materials. Annual books of standards Philadelphia: American Society for Testing and Materials; 2000. vol. 04. 10.
• Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT. NBR 7190: Projetos de Estruturas de Madeira. Rio de Janeiro: ABNT. 1997.
• Comisión Panamericana de Normas Técnicas - COPANT. COPANT 464: Método de determinación del la compresión axil o paralelo al grano. Buenos Aires: COPANT; 1972.
• Cury G, Tomazello Filho, M. Descrição anatômica de espécies de madeira utilizadas na construção civil. Floresta e Ambiente 2011;18(3): 227-236. http://dx.doi.org/10.4322/floram.2011.042
  » http://dx.doi.org/10.4322/floram.2011.042
• Dias AA, Lahr FAR. Proposta de método para ensaio de compressão normal às fibras da madeira. In: Anais do V Encontro Nacional de Madeiras e Estruturas de Madeira - EBRAMEM; 1995; Belo Horizonte. São Carlos: IBRAMEM; 1995. v. 2.
• Melo JE. Influência das dimensões de corpos-de-prova e da velocidade de ensaio na caracterização de três espécies de madeiras tropicais [tese]. Brasília: Departamento de Engenharia Florestal, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília; 2010.
• Xavier J, Jesus AMP, Morais JJL, Pinto JMT. Stereovision measurements on evaluating the modulus of elasticity of wood by compression tests parallel to the grain. Construction and Building Materials 2012; 26(1): 207-215. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.06.012
  » http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.06.012

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  30 Out 2023
• Data do Fascículo
  Apr-Jun 2012

Histórico

• Recebido
  29 Ago 2011
• Aceito
  07 Fev 2012