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COBERTURAS TRADICIONAIS DE MADEIRA. CARACTERIZAÇÃO, INSPEÇÃO E CLASSIFICAÇÃO Jorge M. Branco e Paulo B. Lourenço ISISE, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho, Guimarães [email protected], [email protected] RESUMO Apresentam-se alguns dos resultados recolhidos nos últimos anos no estudo do tema coberturas tradicionais de madeira. Tendo por base um levantamento exaustivo de vários exemplos, analisou-se o comportamento global das coberturas tradicionais de madeira, estudando a influência de parâmetros específicos bem como o efeito de alguns erros diagnosticados na fase de levantamento. A inspeção visual não é apenas fundamental na avaliação de conservação das coberturas em madeira, como permite ainda a classificação mecânica de elementos de madeira tendo por base a sua apreciação visual. Existem normas específicas para a classificação de elementos de madeira de estruturas existentes. Na Universidade do Minho decorrem estudos da avaliação de aplicabilidade destas normas às estruturas de madeira existentes em Portugal. PALAVRAS-CHAVE: Coberturas, madeira, caracterização, inspeção, classificação 1. Introdução Em Portugal, a construção de coberturas de madeira, após numerosos séculos de uso e aperfeiçoamento, perdeu o seu fulgor com o aparecimento do aço e do betão. Até então, a forma mais fácil de cobrir habitações, igrejas, monumentos, armazéns, fábricas, etc. recorria à utilização de madeira. A madeira era então um recurso disponível, fácil de trabalhar e a mão-de-obra qualificada era abundante. Com o aparecimento de novos materiais e com a industrialização, a madeira deixou praticamente de ser utilizada. Estruturas como as asnas exigiam mão-de-obra qualificada para a execução de entalhes, o que não era mais comportável numa indústria preocupada em produzir em quantidade e a preços reduzidos. Passou então a ser conotada como um material pobre, que do ponto de vista estrutural servia apenas para aplicações provisórias. A sua não utilização levou à perda de praticamente todo o conhecimento adquirido ao longo dos séculos (Branco, 2012). Curiosamente, hoje em Portugal, a exemplo de outros países Europeus, assiste-se a um retorno à utilização de asnas de madeira, seja para reconstrução de património degradado, seja para construções novas. A madeira continua a ser um material barato e de fácil obtenção. As suas capacidades estruturais são comprovadas pelos inúmeros exemplos que chegaram até aos nossos dias, e as suas capacidades arquitetónicas voltam a despertar o interesse. Sem esquecer que as atuais preocupações ecológicas e de sustentabilidade da construção recolocam a madeira na primeira linha dos materiais de construção.

Author: phamthuan

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  • COBERTURAS TRADICIONAIS DE MADEIRA. CARACTERIZAO, INSPEO E CLASSIFICAO

    Jorge M. Branco e Paulo B. Loureno

    ISISE, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho, Guimares

    [email protected], [email protected]

    RESUMO

    Apresentam-se alguns dos resultados recolhidos nos ltimos anos no estudo do tema coberturas tradicionais de madeira. Tendo por base um levantamento exaustivo de vrios exemplos, analisou-se o comportamento global das coberturas tradicionais de madeira, estudando a influncia de parmetros especficos bem como o efeito de alguns erros diagnosticados na fase de levantamento. A inspeo visual no apenas fundamental na avaliao de conservao das coberturas em madeira, como permite ainda a classificao mecnica de elementos de madeira tendo por base a sua apreciao visual. Existem normas especficas para a classificao de elementos de madeira de estruturas existentes. Na Universidade do Minho decorrem estudos da avaliao de aplicabilidade destas normas s estruturas de madeira existentes em Portugal.

    PALAVRAS-CHAVE: Coberturas, madeira, caracterizao, inspeo, classificao

    1. Introduo

    Em Portugal, a construo de coberturas de madeira, aps numerosos sculos de uso e aperfeioamento, perdeu o seu fulgor com o aparecimento do ao e do beto. At ento, a forma mais fcil de cobrir habitaes, igrejas, monumentos, armazns, fbricas, etc. recorria utilizao de madeira. A madeira era ento um recurso disponvel, fcil de trabalhar e a mo-de-obra qualificada era abundante. Com o aparecimento de novos materiais e com a industrializao, a madeira deixou praticamente de ser utilizada. Estruturas como as asnas exigiam mo-de-obra qualificada para a execuo de entalhes, o que no era mais comportvel numa indstria preocupada em produzir em quantidade e a preos reduzidos. Passou ento a ser conotada como um material pobre, que do ponto de vista estrutural servia apenas para aplicaes provisrias. A sua no utilizao levou perda de praticamente todo o conhecimento adquirido ao longo dos sculos (Branco, 2012). Curiosamente, hoje em Portugal, a exemplo de outros pases Europeus, assiste-se a um retorno utilizao de asnas de madeira, seja para reconstruo de patrimnio degradado, seja para construes novas. A madeira continua a ser um material barato e de fcil obteno. As suas capacidades estruturais so comprovadas pelos inmeros exemplos que chegaram at aos nossos dias, e as suas capacidades arquitetnicas voltam a despertar o interesse. Sem esquecer que as atuais preocupaes ecolgicas e de sustentabilidade da construo recolocam a madeira na primeira linha dos materiais de construo.

  • 2. Coberturas de madeira As coberturas, que podem ser de duas, trs, quatro, ou mais guas, possuem na sua estrutura principal asnas. As asnas so uma espcie de vigas armadas em forma triangular, constitudas por vrias peas de madeira. As asnas de madeira podem ter inmeras configuraes geomtricas. A escolha da sua tipologia recai sobre vrios fatores entre os quais se destacam o vo a cobrir, a natureza das aes a considerar, a inclinao da cobertura, a arquitetura e as operaes de montagem e execuo. O espaamento normal entre as asnas, de eixo a eixo, da ordem de 3 a 4 metros. Sobre as asnas repousam as madres, os rinces e a estrutura secundria de suporte cobertura (varedo mais ripado). Quanto posio das vrias peas que formam o conjunto da asna: a linha fica sempre em posio horizontal, as pernas assentam sobre a linha em posio inclinada para boa formao das vertentes do telhado, o pendural verticalmente no vrtice do telhado formado pelas pernas e as escoras ficam inclinadas, ligando as pernas ao pendural. Na Figura 1 apresentam-se as tipologias de asnas tradicionais de madeira mais comuns em Portugal.

    (a)

    (b)

    Figura 1 Tipologias de asnas tradicionais de madeira; (a) Asna simples; (b) Asna composta.

    Quanto s espcies de madeira, o Pinho (Pinus pinaster, Ait.), o Castanho (Castanea sativa, Mill.) e o Eucalipto (Eucalyptus globulus Labill.) so as mais comuns. O Castanho normalmente associado s obras das ordens eclesisticas (mosteiros e igrejas). Como madeira mais durvel, est presente nas construes mais antigas. O Eucalipto nos ltimos anos ganhou importncia especialmente por ser uma madeira barata e disponvel. O Pinho nacional sempre foi amplamente usado no sector da construo. As ligaes entre os vrios elementos so realizadas atravs de entalhes, podendo possuir mecha e respiga, executadas de forma que os esforos so transmitidos por

    Linha

    P-de-galinha

    Braadeira

    Calo Perna

    Frechal

    Cumeeira

    Vara

    Escora

    Pendural

    Madre

    Perna

    Vara

    Madre

    Cumeeira

    Calo

    Linha

    Pendural

    EscoraEscora

    Pendural

    Escora

    Pendural

  • compresso e atrito. Este tipo de entalhe pode ser efetuado com dente simples, anterior ou posterior da pea, ou dente duplo. O correto funcionamento da ligao depende sobretudo da sua tipologia, diretamente relacionada com o tipo e nvel de aes de solicitao, bem como a perfeio e mincia da sua execuo. A fim de prevenir possveis inverses de esforos, muito frequentes em coberturas ligeiras, as ligaes so usualmente complementadas com elementos metlicos, que tambm se destinam a impedir o deslizamento lateral da pea. Enquanto pregos so usados em todas as ligaes, as braadeiras so empregues nas ligaes com a linha e os esquadros nas ligaes linha-perna e pendural-pernas. Estes elementos metlicos tm normalmente larguras de 5-6 cm e espessura de 6 mm. Relativamente ao dimetro dos parafusos de porca que atuam nestas ferragens podem ser de 6, 9 e 12 mm, consoante a categoria de resistncia da asna.

    2.1. Caracterizao geomtrica

    Com o intuito de melhor conhecer as caractersticas geomtricas dos elementos constituintes das estruturas de madeira antigas, procedeu-se ao levantamento de diversas coberturas de edifcios nacionais, nomeadamente de diversos monumentos situados nas regies norte e centro de Portugal. As seces transversais das peas foram registadas em intervalos regulares com um paqumetro digital, ver Loureno et al (2012) para detalhes (ver Figura 2).

    (a)

    (b)

  • (c)

    (d)

    Figura 2 Nomenclatura adotada e dimenses mdias: (a) Pao dos Duques de Bragana, Guimares; (b) Mosteiro de Arouca; (c) Laboratrio Chimico,

    Coimbra; (d) Santurio de S. Torcato.

    O levantamento geomtrico realizado inclui diferentes tipos de estruturas de madeira, diferentes perodos (do sc. XVII ao sc. XX) e diferentes estados (desde muito danificado a quase intacto). Uma diferena relevante entre as estruturas que duas delas tinham mais de 200 anos (pr-industriais) e utilizavam troncos rolados enquanto as outras duas tinha cerca de 70 anos (ps-industriais), e utilizavam seces em esquadria. A Figura 3 mostra as diferenas evidentes entre os elementos estruturais.

    (a) (b)

    Figura 3 Aspeto das coberturas: (a) pr-industrializada com sees roladas, Mosteiro de Arouca; (b) ps-industrializada com sees em esquadria, Pao

    dos Duques de Bragana.

    Apesar de a amostra ser pequena, as estruturas com sees retangulares e idade at cerca de 100 anos apresentam deteriorao biolgica reduzida e um coeficiente de variao de cerca de 5%. No caso das estruturas mais antigas de madeira, a deteriorao

  • mais relevante e as incertezas so maiores. Se assumirmos que o Mosteiro de Arouca pode ser representativo de sees roladas com deteriorao moderada a baixa, o coeficiente de variao de cerca de 15%. Se assumirmos que o Laboratrio Chimico representativo de estruturas de madeira fortemente deterioradas, os valores do coeficiente de variao atingem valores de 20% ou superiores. No caso do castanho em Portugal, verifica-se uma deteriorao muito baixa ao fim de 70 anos em servio e apenas deteriorao moderada depois de algumas centenas de anos em servio. No caso das madeiras resinosas, aps 200 anos de servio, o nvel de segurana encontrado era totalmente inaceitvel.

    2.2. Anomalias mais comuns

    Falta de manuteno das estruturas e conceo ou construo errnea so as principais causas da reduo do nvel de segurana das coberturas tradicionais em Portugal. Problemas associados presena de elevadas concentraes de teor de gua, em particular, junto ao apoios, so patologias usuais. Um dos mais frequentes erros de conceo prende-se com a existncia de esforos de flexo nos elementos da asna, nomeadamente, nas pernas, seja em resultado de uma seleo inadequada da tipologia da asna para o vo a cobrir (Figura 4a) ou pela simples excentricidade existente entre o n da asna e o ponto de aplicao das cargas (Figura 4b).

    (a) (b)

    Figura 4 Exemplos de concees erradas; (a) Tipologia incorreta para o vo a cobrir; (b) Colocao das madres com excentricidade relativamente ao n perna-escora.

    Apesar de menos significativas, tambm a excentricidade entre o apoio e o n perna-linha so usuais. A existncia deste gnero de excentricidade leva necessidade da colocao de apoios em forma de consolas curtas (cachorros). Uma fonte importante de incerteza na definio do comportamento estrutural das asnas tradicionais de madeira, em particular, daquelas com tipologia simples, a ligao entre a linha e o pendural. Apesar das regras prticas de bem construir recomendarem a separao do pendural da linha, normal encontrarem-se exemplos onde estes dois elementos esto ligados (Figura 5).

  • (a) (b)

    Figura 5 Exemplos de ligaes pendural-linha erradas; (a) Pendural pregado linha; (b) Ligao rgida entre o pendural e a linha.

    3. Inspeo e diagnstico

    3.1. Inspeo visual

    A inspeo visual uma tcnica de aplicao simples que consiste no exame direto, a uma distncia no muito grande, do elemento a inspecionar, registando algumas das caractersticas da madeira, como os danos externos, o apodrecimento, a deformao dos seus elementos, ou ainda cortes. Para isto, utilizam-se tcnicas, ferramentas e instrumentos simples (martelo, uma faca, uma broca, um cinzel, etc.), levando a uma prvia marcao das reas que posteriormente sero rigorosamente analisadas, orientando assim os ensaios no destrutivos posteriores.

    Esta anlise requer a presena de pessoal tcnico especializado, uma vez que estes, baseando-se na experincia que j possuem, podem rapidamente desenvolver uma avaliao qualitativa da integridade estrutural referente a diferentes membros individuais.

    O primeiro passo a dar numa inspeo visual a atribuio de uma espcie botnica aos elementos de madeira. Com a definio da espcie fica desde logo definida um valor de referncia para a massa volmica que constitui um parmetro muito usado na estimativa de outras propriedades fsicas e mecnicas da madeira (Grlacher, 1987). A presena de defeitos nas faces externas do elemento, tais como ns (Figura 6a), fendas (Figura 6b), fibras torcidas, descaio (Figura 6c) e a inclinao do fio, so tambm catalogados nesta fase, uma vez que de acordo com a sua distribuio, dimenso, tipo e localizao afetam o comportamento fsico-mecnico da pea. possvel ainda verificar e catalogar a presena de humidade na pea, assim como os ataques de fungos e insetos na seco (Figura 6d). A primeira est relacionada com os ciclos de diminuio e aumento da humidade que provocam retraes e expanses na seco, provocando um aumento das tenses internas e consequente abertura de fendas superfcie. A presena de humidade pode viabilizar o desenvolvimento de fungos com consequncias nefastas para a integridade do elemento de madeira apenas para valores de teor de humidade igual ou superior a 20% existe o risco de ataques por fungos. Os ataques de insetos so caracterizados por longas galerias na seco, uma vez que estes alimentam-se da madeira e utilizam-na como ninho reprodutor, degradando-a e diminuindo as suas propriedades de resistncia.

  • (a) (b)

    (c) (d)

    Figura 6 Exemplos de defeitos visveis nos elementos de madeira. (a) Ns (b) fendas

    (c) descaio e (d) ataque de insetos.

    3.2. Classificao visual

    As madeiras sempre foram classificadas atravs da avaliao visual. As regras de classificao dependem da espcie da madeira, da sua provenincia, tamanho e processamento, mas com algum rigor que se consegue prever a resistncia de um elemento de madeira tendo por base avaliao dos seus defeitos. No caso de elementos de madeira para utilizao em estruturas, a norma europeia EN 518:1995 que define os critrios de avaliao. A nvel nacional, a NP 4305:1995 que estabelece a classificao de madeira serrada de Pinheiro bravo (Pinus pinaster Ait.) tendo em vista a sua resistncia mecnica, atravs da apreciao do seu aspeto visual. Contudo, raras so as normas de classificao visual para aplicao a elementos integrantes de estruturas existentes. Entre as normas disponveis destacam-se as seguintes normas italianas: UNI 11035-1:2003 Legno strutturale - Classificazione a vista di legnami

    italiani secondo la resistenza meccanica: terminologia e misurazione delle caratteristiche. Esta norma especifica a terminologia e os mtodos para a avaliao das caractersticas relevantes para a classificao visual da resistncia mecnica da madeira com provenincia italiana destinada para usos estruturais. A norma no se aplica a produtos derivados da madeira tais como elementos estruturais de madeira lamelada colada ou LVL estrutural, ou outros;

  • UNI 11035-2:2003 Legno strutturale - Regole per la classificazione a vista secondo la resistenza e i valori caratteristici per tipi di legname strutturale italiani. Esta parte da norma identifica os tipos mais comuns de madeira italiana estrutural e, para cada um deles, indica as regras a adotar para efetuar a classificao visual da resistncia, referindo-se ainda s condies gerais presentes na UNI 11035-1:2003. Mediante a classificao, as serraes individuais aceitveis so atribudas a categorias oportunas, cada uma das quais associadas a valores caractersticos de massa volmica, resistncia e mdulo de elasticidade;

    UNI 11119:2004 Beni culturali - Manufatti lignei - Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera Esta norma estabelece objetivos, procedimentos e requisitos para o diagnstico do estado de conservao e para a determinao da resistncia e da rigidez de elementos de madeira estruturais de edifcios com heranas culturais, atravs da realizao de inspees in-situ e da aplicao de tcnicas e mtodos no destrutivos.

    As normas UNI 11035 e UNI 11119 permitem atribuir uma classe de resistncia visual avaliando a presena dos defeitos e outras singularidades nos elementos de madeira, nomeadamente, ns, descaio, inclinao do fio da madeira, empenos, taxa de crescimento e fendas anelares. A classe de resistncia atribuda tendo em conta o pior desempenho do elemento de madeira relativamente a estes parmetros. Para cada classe de resistncia visual atribuda so fornecidos valores para as propriedades mecnicas. A ttulo de exemplo, nas Figuras 7 e 8 apresenta-se o resultado da classificao visual de uma asna composta em madeira de Pinho bravo (Pinus pinaster Ait.) segundo as normas UNI 11035 e UNI 11119, respetivamente. de salientar que os valores indicados por estas duas normas para as propriedades mecnicas so distintos (ver Tabela 1) sendo que a UNI 11035 sugere valores caractersticos enquanto a UNI 11119 apresenta valores mximos de clculo admissveis.

    Figura 7 Classificao visual de acordo com a UNI 11035:2003

    Figura 8 Classificao visual de acordo com a UNI 11119:2004

  • Tabela 1 Valores sugeridos pelas normas UNI 11035:2003 e UNI 11119:2004 para as classes de resistncia visual S3 e III, respetivamente, no caso de Pinho bravo (Pinus pinaster Ait.).

    Propriedade UNI 11035 UNI 11119

    S3 III Resistncia flexo [MPa] m 22 8 Resistncia trao paralela s fibras [MPa] t,0 13 6 Resistncia trao perpendicular s fibras [MPa] t,90 0.5 0 Resistncia compresso paralela s fibras [MPa] c,0 20 7 Resistncia compresso perpendicular s fibras [MPa] c,90 4 2 Resistncia ao corte [MPa] v 2.4 0.8 Mdulo de elasticidade paralelo s fibras [MPa] (valor mdio) 0,mean 10500 11000 (valor caracterstico) 0,05 7000 Mdulo de elasticidade perpendicular s fibras [MPa] (valor mdio) 90,mean 350 Mdulo de distoro [MPa] Gmean 660 Massa volmica (valor caracterstico) [kg/m3] k 530 Massa volmica (valor mdio) [kg/m3] mean 575

    Dos trabalhos realizados na Universidade do Minho, verifica-se que os valores sugeridos por estas normas para as propriedades mecnicas, quando comparadas com valores obtidos em ensaios mecnicos segundo a EN 408:2003 so: os valores apresentados para a resistncia compresso paralela s fibras de

    pinho bravo foram inferiores aos obtidos em ensaios de caracterizao (Pereira et al, 2012);

    os valores sugeridos para o mdulo de elasticidade em flexo de elementos de pinho bravo so superiores aos obtidos nos ensaios de caracterizao (Pereira et al, 2012);

    os valores obtidos para a resistncia compresso paralela s fibras de castanho entre provetes livres de defeitos e provetes com degradao correspondem variao entre classe I e elementos abaixo de classe III pela norma UNI 11119:2004 (Sousa et al, 2012a);

    considerando distribuio lognormal e percentil 5% (valores caractersticos), a tenso resistente paralela s fibras de castanho para provetes livres de defeitos esto compreendidos entre a classe I e II (Sousa et al, 2012a);

    considerando uma anlise de varincia (ANOVA) verificado que a distino de amostras por base na sua classificao visual permite aferir uma varincia significativa para o mdulo de elasticidade em elementos de castanho (Sousa et al, 2012b);

    os valores mdios obtidos para o mdulo de elasticidade flexo de castanho so superiores aos indicados para cada classe pela norma UNI 11119:2004.

    os valores mdios obtidos para o mdulo de elasticidade flexo de castanho de amostras classificadas com classes visuais diferentes apresentam fatores de reduo semelhantes aos preconizados pela norma UNI 11119:2004 (Sousa et al, 2012b).

  • 4. Concluses Apresentou-se uma caracterizao das coberturas tradicionais em madeira de Portugal, tendo por base uma anlise das tipologias mais frequentes do seu sistema estrutural base, a asna, e os resultados de uma caracterizao geomtrica dos elementos estruturais em madeira destes sistemas em quatro exemplos de referncia do nosso patrimnio histrico. Dada a sua frequncia, sumariaram-se as principais anomalias detetadas nas coberturas de madeira. A inspeo visual no apenas fundamental na avaliao de conservao das coberturas em madeira, como permite ainda a classificao mecnica de elementos de madeira tendo por base a sua apreciao visual. Para o efeito apresentaram-se os critrios definidos nas normas UNI 11035 e UNI 11119 de possvel aplicao s madeiras existentes nas coberturas tradicionais de Portugal. Na Universidade do Minho decorrem estudos da avaliao de aplicabilidade destas normas s estruturas de madeira existentes em Portugal, tendo-se apresentado algumas das concluses preliminares.

    Referncias Branco J.M. (2012), Anlise e reforo de coberturas de madeira. In Seminrio

    Coberturas de Madeira. Escola de Engenharia da Universidade do Minho, 19 de Abril, ISBN: 978-972-8692-68-1, 55-70.

    EN 408:2003, Timber structures Structural timber and glued laminated timber Determination of some physical and mechanical properties. CEN, European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

    EN 518:1995, Structural timber Grading Requirements for visual strength grading standards. CEN, European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

    Grlacher R. (1987), Non destructive testing of wood: an in-situ method for determination of density. Holz as Roh-und Werkstoff 45: 273-278.

    Loureno P.B., Sousa H.S., Brites R.D., Neves L.C. (2012), In situ measured cross section geometry of old timber structures and its influence on structural safety. Materials and Structures. doi: 10.1617/s11527-012-9964-5.

    Martins, S.F. (2009), Estruturas de Madeira Inspeo e Diagnstico. Aplicao em Caso de Estudo. Dissertao de Mestrado em Engenharia Civil, Universidade do Minho, Escola de Engenharia, Guimares.

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    Pereira R.E., Branco J.M., Loureno P.B. (2012), Inspection, diagnosis and grading of a timber truss. Relatrio N.12-DEC/E-31, Universidade do Minho, 47 pp.

    Sousa H.S., Branco J.M., Loureno P.B. (2012a). Characterization of old chestnut beams sections weakened by decay. In: 8th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, Wroclaw, Polnia, 15-17 Outubro 2012.

    Sousa H.S., Branco J.M., Loureno P.B. (2012b). Assessment of strength and stiffness variation within old timber beams. In: 8th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, Wroclaw, Polnia, 15-17 Outubro 2012

    UNI 11035-1:2003, Structural Timber - Visual Strength Grading: Terminology and Measurement of Features. Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milo, Itlia.

    UNI 11035-2:2003, Visual Strength Grading Rules and Characteristic Values for Italian Structural Timber Population. Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milo, Itlia.

  • UNI 11119:2004, On site inspections for the diagnosis of timber members. Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milo, Itlia.