Avaliação experimental de dormentes de madeira laminada colada de pinheiro

 

Os sistemas de transporte, sejam eles de produtos ou de passageiros, sempre foram essenciais para o desenvolvimento de toda e qualquer sociedade. A necessidade do deslocamento e da interação entre pessoas e produtos dos mais diversos locais do mundo tem crescido de maneira exponencial ao longo da história e do desenvolvimento de cada nação.

O modal ferroviário apresenta significativas vantagens como meio de transporte. Dentre elas destacam-se a sua grande capacidade e eficácia, principalmente para grandes distâncias. Grande parte da funcionalidade dos trens se deve à infraestrutura que os sustentam, destacando-se, dentro deste sistema, os dormentes, que têm a função de receber e amortecer as cargas provenientes do tráfego e transmiti-las ao lastro, mantendo constante o espaçamento entre os trilhos (PASETTO E GIACOMELLO, 2014).

Para que o desempenho de sua função ocorra de forma eficiente, os dormentes precisam ter elevada resistência mecânica aliada a um bom comportamento elástico, a fim de adequarem-se às condições de carga dinâmica e movimentação a que são impostos. Apesar do avanço no uso de elementos de concreto, aço e polímeros, o material que possui melhor desempenho na composição de dormentes ainda é a madeira, que, por seus aspectos naturais e de trabalhabilidade, ainda é líder no uso em ferrovias (NABAIS, 2014).

Sandra Pozzer
Engenheira civil formada pela Universidade de Passo Fundo

Francisco Dalla Rosa
Professor titular do programa de pós-graduação em engenharia civil e ambiental da Universidade de Passo Fundo

Zacarias M. Chamberlain Pravia
Professor titular do programa de pós-graduação em engenharia civil e ambiental da Universidade de Passo Fundo

Com a crescente necessidade de utilização de materiais de qualidade para elementos estruturais, levando em consideração a preocupação com a sustentabilidade e a preservação da madeira, o sistema de Madeira Laminada e Colada (MLC) tornou-se uma das principais alternativas na aplicação da madeira para fins estruturais, sendo utilizado com muito sucesso em várias partes do mundo, nas mais variadas formas e dimensões (MACEDO E CALIL JUNIOR, 1999).

Tendo em vista a conscientização crescente no uso da madeira e as possibilidades do uso de sistemas construtivos alternativos, foi feita uma pesquisa prática com o objetivo de analisar o desempenho da construção de dormentes de madeira laminada colada (MLC). Dois dormentes foram produzidos através de processo manual, desenvolvido em sua totalidade no Laboratório de Estruturas da Universidade de Passo Fundo, utilizando madeira da espécie Araucaria augustifolia (pinheiro), proveniente de florestas plantadas do sul do país, e adesivo ecológico à base de ureia (cascamite), comercializado no Brasil. Para verificar a sua aplicabilidade, os dormentes foram submetidos a ensaio de flexão estática, a fim de obter o Módulo de Elasticidade (MOE) do material e comparar com os requisitos da NBR 7511 – Dormente de madeira – Requisitos e métodos de ensaio (ABNT, 2013).

O sistema de MLC proposto para a construção dos dormentes resulta da junção de lâminas de madeira e linhas de cola, unidas sobre pressão. As lâminas são coladas com as fibras da madeira paralelas ao eixo da peça até a obtenção das dimensões de altura e largura desejadas.

A escolha da madeira utilizada na pesquisa e o processo de construção dos dormentes seguiram as instruções da NBR 7190 – Projeto de estruturas de madeira (ABNT, 2011) para peças compostas de madeira. As dimensões dos dormentes foram padronizadas para a bitola estreita, com comprimento, largura e altura, respectivamente, de 200 cm x 22 cm x 16 cm. As lâminas de madeira foram serradas e plainadas, apresentando dimensões finais de 2 metros de comprimento, 2,2 cm de espessura e largura variável: de 8 e 6 cm para as peças das extremidades superiores e inferiores e de 12 cm para a parte interna. Com isso e tendo como base a dissertação de ICIMOTO (2013), foram definidos o tamanho e a disposição das lamelas para montagem dos dormentes, vista na Figura 1.

Esta disposição foi escolhida do ponto de vista funcional e técnico. O tamanho reduzido das lâminas permite o máximo aproveitamento da tora que vai para a serraria para a produção das lâminas, e não só das partes com dimensões iguais às do dormente acabado, fazendo com que seja reduzida a perda na classificação das peças. Este arranjo também melhora o comportamento mecânico do dormente, visto que garante que o cisalhamento máximo ocorra na madeira, e não na linha de cola.

Para o processo de produção dos dormentes, depois das lâminas serradas, plainadas e niveladas, foi feito o preparo da cola (cascamite), seguindo as instruções presentes no rótulo do produto. Foi calculada a superfície de contato da madeira a ser colada e multiplicou-se pela quantidade recomendada pelo fabricante, que é de 180 g/m². Em seguida, utilizando uma bacia plástica, uma espátula e uma balança de precisão foram juntadas as proporções sugeridas e misturadas energicamente, até atingir um resultado viscoso e homogêneo.

Dando sequência ao processo de produção, foi feita a aplicação da cola nas lâminas. Por se tratar de um estudo experimental, a aplicação foi feita de forma manual, com o uso de um rolo de espuma (Figura 2). Nesse contexto, procurou-se espalhar o adesivo de forma homogênea, cobrindo toda a superfície das lâminas a serem coladas.

O processo de prensagem também foi feito manualmente, utilizando barras roscadas, parafusos, polcas, pedaços de madeira e sargentos (Figura 3). Dessa forma, não foi possível determinar a pressão aplicada nos elementos, visto que a força manual utilizada pela equipe não é uniforme e não pode ser quantificada. Depois de apertados ao máximo todos os parafusos e sargentos, os elementos foram deixados no laboratório para cura por um período de 24 horas.

Figura 1. Disposição das lâminas de madeira para montagem do dormente e sequência de colagem
Figura 2.Aplicação do adesivo nas lâminas
Figura 3. Prensagem final dos dormentes
Figura 4. Equipamento montado para determinação do MOE das lâminas
Figura 5.Pórtico utilizado para ensaio à flexão estática
Figura 6. Ensaio à flexão – Sistema de aplicação de carga e coleta de dados

Para avaliação dos dormentes construídos, devido ao tempo de definição, construção e análise do trabalho ter sido reduzido, foi realizado somente um dos ensaios previstos na NBR 7511 (ABNT, 2013), o de determinação do módulo de elasticidade (MOE) por ensaio de flexão estática. Este ensaio consiste em aplicar um carregamento em forma de carga concentrada no meio do vão livre do dormente, vinculado longitudinalmente entre dois apoios.

Juntamente com este ensaio de flexão, a fim de obter um leque maior de informações a respeito das propriedades da madeira utilizada no estudo, foram ensaiadas também oito lâminas de madeira pertencentes ao lote da pesquisa, a fim de conhecer os seus parâmetros de elasticidade (MOE). Para tanto, foi montado um sistema de ensaio simples no laboratório, com um vão livre e um peso a ser aplicado, conforme visto na Figura 4. O procedimento consistiu em aplicar uma força (o peso) no meio do vão livre, entre os dois apoios, e medir o deslocamento apresentado com um relógio de precisão.

Já para a realização do ensaio de flexão estática foi montado um pórtico com dois apoios, nas condições e posições recomendadas pela NBR 7511 (ABNT, 2013).

Para a aplicação da carga o laboratório dispõe de um macaco hidráulico de 30 toneladas. Para medida do deslocamento sofrido durante o ensaio foram utilizadas uma célula de carga com capacidade de 50 toneladas e uma régua resistiva de 5 centímetros. Para que o sistema funcionasse de maneira precisa e os dados pudessem ser coletados de maneira correta, primeiramente a célula de carga foi calibrada em uma prensa hidráulica EMIC no laboratório de materiais da universidade.

Após a calibragem, com ajuda dos professores orientadores do trabalho, esta célula foi programada para que fosse possível fazer a leitura das cargas e deslocamentos durante o ensaio. Para isso foi utilizado um dispositivo de programação e coleta de dados, o Arduino, que, ligado à régua resistiva e ao computador por meio de cabos USB, permitiu que fossem feitas as leituras das cargas e deslocamentos do ensaio em tempo real, a cada intervalo de tempo equivalente a um segundo, sendo computados diretamente em uma planilha Excel.

Antes da realização do ensaio o dormente foi submetido a um pré-carregamento de cerca de 4 toneladas, conforme exigido pela NBR 7190 (ABNT, 2011). A carga efetiva, avaliada por meio da medida das deformações da célula de carga, foi aplicada no meio do vão (posição de 1 metro) a uma velocidade de aproximadamente 10 Mpa/min, por meio de um macaco hidráulico. O sistema de aplicação de carga e de aquisição de dados pode ser visto na Figura 6.

Foram feitos dois ensaios em cada dormente, na posição normal em que ele é colocado na via. Aplicou-se a carga até a deformação atingir um valor de aproximadamente 1cm ou na ocorrência de sons que indicassem o enfraquecimento da ligação de cola.

A NBR 7511 (ABNT, 2013) prevê as seguintes condições mecânicas mínimas para utilização de dormentes de madeira em ferrovias, com destaque para as propriedades de elasticidade:

Com bases nos ensaios feitos foram levantados os dados de desempenho das lâminas e dos dormentes. Para as lâminas ensaiadas separadamente foram encontrados os seguintes resultados:

Os resultados encontrados mostraram que as lâminas de pinheiro da espécie Araucaria augustifolia utilizadas no estudo apresentam módulo de elasticidade com média de 13459,57 Mpa, um valor considerado alto. Isso significa que este material possui elevada resistência mecânica, suportando as vibrações e impactos dinâmicos a que os dormentes estão sujeitos. Comparando os valores encontrados (Tabela 2) com os requisitos mínimos da NBR 7511 (ABNT, 2013), Tabela 1, resulta o gráfico a seguir:

Com isso, percebe-se que a média obtida nos ensaios ficou acima dos valores recomendados na norma, sendo que as lâminas de madeira de pinheiro apresentam, em sua grande maioria, parâmetros de elasticidade condizente para uso em dormentes.

Tabela 1 – VALORES MÍNIMOS DE PROPRIEDADES DAS MADEIRAS E DOS PRODUTOS DE MADEIRA UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DE DORMENTES

Fonte: NBR 7511 (ABNT, 2013)

Tabela 2 – DADOS COLETADOS EM CADA LÂMINA E CÁLCULO DO MOE

Tabela 3 – TABELA DE DADOS DOS DORMENTES ENSAIADOS E CÁLCULO DO MOE

Já para os dormentes foram computados, em tempo real, todos os dados referentes à carga aplicada e o deslocamento, sendo encontrados os seguintes resultados:

Comparando os resultados do ensaio com os requisitos normativos (Tabela 1), obtem-se o seguinte gráfico:

Dessa forma, considerando os requisitos de rigidez da madeira, constatou-se que é possível a construção de dormentes laminados e colados utilizando madeira da espécie Araucaria augustifolia. O MOE dos dormentes produzidos apresentou valor superior aos determinados pela NBR 7511 (ABNT, 2013) referentes à classe II, mostrando-se assim satisfatório, no quesito de elasticidade, para o uso na superestrutura de ferrovias brasileiras.

A madeira de Araucaria augustifolia (pinheiro) apresenta propriedades de elasticidade elevadas, o que confere uma boa resistência mecânica quando usada em peças estruturais. No caso dos dormentes este é um parâmetro de grande utilidade, visto que a maior causa de degradação é o seu desgaste mecânico. No entanto, para o uso de espécies nativas é importante o respeito às leis de preservação, utilizando apenas árvores que respeitem programas de manejo e silvicultura, a fim de evitar problemas ambientais.

Através do ensaio não destrutivo das lâminas de madeira foi possível atestar a importância do controle de qualidade das peças para a produção das estruturas de madeira laminada colada (MLC), visto que em um mesmo lote de produção podem existir lamelas com índices de resistência diferentes. Com isso, recomenda- se que se faça um ensaio classificativo visual e mecânico antes da montagem dos elementos, para que sejam utilizadas principalmente as peças isentas de defeitos e com maior resistência, e que estas fiquem dispostas nas extremidades que é onde ocorrem as maiores solicitações.

O adesivo à base de ureia utilizado na pesquisa apresentou bom desempenho, com mistura simples, rápida e ecológica, gerando um produto isento de solventes. A cola teve boa aderência, porém seu desempenho pode ter sido reduzido pela falta de prensagem mais homogênea, de maior intensidade e pelas temperaturas baixas da época em que foi usada.

Figura 7 – Gráfico de análise do MOE das lâminas em comparação aos requisitos da NBR 7511

A durabilidade dos elementos de MLC, por sua vez, está diretamente ligada à qualidade da madeira utilizada e ao tratamento preventivo a que é submetida, em conjunto com o uso correto do adesivo escolhido e ao processo de montagem e manutenção do sistema. Pesquisas são desenvolvidas em vários continentes sobre a aplicação de novos adesivos de poliuretano e agentes que melhorem a união das peças, entretanto o comportamento em peças de madeira laminada e colada precisa ser mais bem estudado (AZAMBUJA, 2006).

De modo geral, os materiais e técnicas abordados neste estudo apresentam condições de uso para produção de dormentes laminados colados. Entretanto, a sua utilização é condicionada ao estudo das demais características mecânicas do sistema madeira-adesivo e sua durabilidade. Além disso, para melhores resultados, o ideal seria que os processos de laminação da madeira, colagem, emendas e prensagem fossem feitos de modo automatizado, com controle de qualidade, gerando um produto final de melhor desempenho, maior garantia e confiabilidade.

Por fim, o estudo da viabilidade de construção de dormentes laminados e colados atesta mais uma vez a possibilidade do uso da madeira como elemento construtivo, mostrando ser um material de qualidade, competitivo e que se adapta à demanda cada vez mais iminente neste setor do mercado. O estudo dos dormentes também é muito relevante visto que desenvolve a pesquisa de materiais e elementos referentes ao setor de ferrovias, campo que precisa ainda ser muito desenvolvido em nosso país. Sugere-se assim que sejam feitos ainda mais estudos levando em consideração também as madeiras de reflorestamento, seu potencial técnico e econômico e suas aplicações em campo no curto e no longo prazo, a fim de que seja desenvolvido o potencial da madeira como material de construção e do setor ferroviário como sistema de transporte.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 7190: Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro, Revisão nov/2011.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 7511: Dormente de madeira – Requisitos e métodos de ensaio. 2 ed. Rio de Janeiro, 2013.

AZAMBUJA, M; A. Estudo experimental de adesivos para fabricação de madeira laminada e colada: avaliação da resistência de emendas dentadas, da durabilidade e de vigas. Tese (Doutorado). Área de Interunidades em Ciência e Engenharia de Materiais. Universidade de São Paulo. 159 p. 2006.

CALIL JÚNIOR, C; MINÁ, A. J. S. Vibração transversal: Um método eficiente para classificação de peças estruturais de madeira. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v.7, n.2: p. 335 – 338, 2003.

CARREIRA, M. R., SEGUNDINHO, P. G. A., CALIL NETO,C., DIAS, A. A, CALIL JUNIOR, C., SANTOS, C. J. Aplicação do ensaio de vibração transversal livre na avaliação nãodestrutiva de vigas de madeira laminada colada (MLC). Revista Madeira: Arquitetura e Engenharia, Volume 11, n° 26, 2010.

ICIMOTO, F. H. Dormentes em madeira laminada colada de pinus. 2013. 122 f. Dissertação (Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais), Universidade de São Paulo, São Carlos.

NABAIS, R. J. S. Manual Básico de Engenharia Ferroviária. São Paulo: Oficina de Textos, 2014.

MACEDO, A.N.; & CALIL JUNIOR, C.; Estudo de Emendas Dentadas em Madeira Laminada Colada (MLC): Avaliação de Método de Ensaio – NBR 7190/1997. Cadernos de Engenharia de Estruturas, São Carlos, n. 7, p. 1-25, 1999.

PASETTO, M.; GIACOMELLO, G. Corso di infrastrutture ferroviarie ed aeroportuarie. Notas de aula, Padova: Università di Padova, fev/jun 2014.

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