Desenvolvimento da Madeira Lamelada Pregada (MLP) Para uso de Sistema Placa

O conceito de desenvolvimento sustentável tem estado presente em discussões e objetivos dos diversos setores da sociedade com envolvimento de países dispostos a poupar energia e reduzir emissões de gases com efeito estufa. Nesse aspecto, a indústria da construção demanda alto consumo de energia e alta poluição na fabricação de materiais convencionais, como o aço e concreto. Considerando tais questões, a madeira é um material de construção renovável de base biológica e tem sido empregada em edifícios e pontes em muitos países, de modo que se tem a redução da produção de carbono [1].

Com isso, as estruturas de madeira estão se tornando objetos de estudo para se investigar a ampla aplicabilidade e otimização desse material natural. Nesse contexto, tem-se produtos oriundos da madeira massiva, como a madeira lamelada colada (MLC), a madeira lamelada cruzada (MLCC) e a madeira lamelada pregada (MLP). Esse último produto é criado a partir do conjunto de lamelas pregadas mecanicamente para criar um elemento estrutural sólido, sendo usado como pisos, telhados, paredes e lajes. O compensado é empregado em uma face, podendo contribuir na capacidade de cisalhamento do plano [2]

A madeira lamelada pregada (MLP) é considerada um método antigo de construção que permite diversas oportunidades de uso para uma arquitetura atraente. De acordo com a história, esse produto de madeira massiva foi utilizado, sobretudo, em construção de armazéns e outros edifícios de grande porte. Tal produto possibilita a concepção de uma laje monolítica, gerando assim as mais variadas oportunidades de aplicação [2].

As primeiras pesquisas relacionadas a esse último produto permaneceram na década de 1990, sendo baseadas no comportamento à flexão de colunas com 3 a 4 camadas de laminação. Em meio ao desenvolvimento de novos produtos com melhor colagem, como a madeira lamelada colada, o MLP desapareceu durante os 20 anos seguintes. Entretanto, com a valorização do uso da madeira na indústria da construção civil, tal produto voltou a ser popular por conta de suas vantagens. Com isso, as pesquisas ainda são limitadas, de modo que os estudos foram desenvolvidos sobretudo no que diz respeito ao desempenho à flexão de placas que pode ser obtido por meio de uma investigação experimental, método analítico ou simulação numérica [1].

Dentre as vantagens específicas do MLP tem-se o custo mais baixo em relação aos demais produtos, pois pode-se usar laminações de madeira de qualidade diversificada, otimizando o uso e aproveitamento da madeira. Além disso, possui fabricação simples, visto que pode ser fabricado sem processamento prévio de lamelas que é uma das etapas da produção da MLC e MLCC, e não requer equipamentos específicos, podem ser usadas ferramentas como pistolas pneumáticas ou martelos, cuja mão-de-obra não necessita ser especializada. Ainda, é um produto capaz de atender às solicitações arquitetônicas e mecânicas [1].

Contudo, as especificações, detalhamentos e recursos para o MLP estão desatualizados. É relevante o avanço de estudos relacionados a esse produto, pois possui custo mais baixo, tem fabricação simples, tem bom desempenho arquitetônico e mecânico, layout flexível, ainda, as lamelas resistem à carga em conjunto através da ligação de pregos.

Tal ligação está associada ao questionamento acerca de conexões metálicas na madeira, que no caso da ligação pregada funciona através de uma combinação do atrito entre o prego e a madeira com a compressão da madeira em torno do fixador à medida que este é conduzido para dentro. Sendo assim, uma possível exposição à água pode ser capaz de induzir corrosão do fixador, fazendo com que o desempenho da ligação seja comprometido. Todavia, através da adequação de mercado é possível reduzir o risco de falhas e conceber estruturas mais duráveis com planos de manutenção adequados [4].

Nesse âmbito, tem-se os pregos de madeira que eram usados no passado no lugar de fixadores de metal para construções de madeira expostas a ambientes úmidos [5]. Tais fixadores possuem a leveza e compatibilidade com o produto engenheirado (MLP). Além disso, podem permitir possíveis recortes de placas de MLP no momento da sua instalação, situação que o prego metálico não permite.

Com o objetivo de reduzir a emissão de , desenvolver materiais com carbono incorporado, melhorar condições de corte e arranjos nas estruturas, buscou-se substituir pregos metálicos por pregos de madeira. Tais pregos são obtidos através da técnica de densificação que é capaz de produzir o material à base de madeira com desempenho mecânico superior em relação à madeira natural. Sendo capaz de utilizar conectores de madeira como substituto de fixadores metálicos, para aplicações específicas, em componentes de madeira moderadamente carregados e densos.

Sendo assim, esse estudo teve como objetivo testar placas de MLP produzidas com prego de madeira e placas pregadas com prego anelar metálico, sob flexão, a fim de comparar o desempenho das duas, avaliando-se o comportamento da ligação pregada.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

O planejamento e concepção das placas desenvolvidas nesse estudo basearam-se em projetos e obras executadas pela Rewood, as quais possuem diversos arranjos arquitetônicos, tendo a madeira lamelada pregada como protagonista no que tange à estética e ao mesmo tempo atendendo às solicitações estruturais. A Figura 1 apresenta o projeto executado com área projetada de 343 m² e 30 m³ de MLP de pinus com lamelas de 46 mm (largura) x 70 mm (altura), chegando até 7000 mm de comprimento. A obra foi executada em 17 dias.

a) Vista 3D

b) Detalhe da placa de MLP

Figura 1: Detalhes do projeto

A Figura 2 apresenta o projeto e a obra executada, com 478 m² de área projetada e 28 m³ de MLP de pinus cujas lamelas foram de 48 mm (largura) x 110 mm (altura) e comprimento de 12505 mm. A montagem foi feita em 21 dias, a Figura 3 mostra parte da execução.

Figura 2: Vista 3D das lajes de MLP

Figura 3: Laje de MLP executada

A Figura 4 apresenta o projeto executado em eucalipto com 210 m² de área projetada e 22 m³ de MLP, o projeto contemplou lajes de MLP com 500 mm de largura e 10000 mm de comprimento, com lamelas de 20 mm (largura) x 120 mm (altura). Além disso, o projeto também contemplou vigas invertidas e barrotes de madeira lamelada colada (MLC).

a) Perspectiva da laje

b) Detalhe da MLP

Figura 4: Detalhes do projeto

Figura 5: Obra executada

Diante dos projetos apresentados pode-se perceber que a paginação da laje foi pensada para o melhor aproveitamento e disposição de placas inteiras. Contudo, eventuais recortes são necessários, gerando dificuldades nas obras, pois é complicado efetuar cortes nas placas de MLP com prego metálico. Dessa forma, a troca do prego metálico pelo prego de madeira torna-se uma solução interessante quando se tem divergências que requerem recortes em obra. Pois a fixação do prego de madeira possibilita os cortes nas placas.

A concepção e configuração de placas em MLP executadas pela Rewood embasaram o planejamento experimental das placas desenvolvidas nesta pesquisa, cujo programa experimental foi desenvolvido no Laboratório de Madeira e Estruturas de Madeira (LaMEM), da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, juntamente com a Rewood – Soluções estruturais em madeira engenheirada, no Brasil.

Os ensaios contemplaram dois tipos de placas, MLP pregado com prego de madeira e MLP pregado com prego anelar metálico.

Foram ensaiadas 2 placas, compostas por 34 lamelas de Pinus Taeda, pregadas por dois arranjos distintos de pregos anelares 2,7×80 mm, acopladas por uma placa estrutural de OSB (Oriented Strand Board) com dimensões 11,1x1200x2400 mm. A Figura 6 demonstra a configuração e dimensões da placa.

Figura 6: Configuração da placa de MLP

Em uma placa, os pregos foram dispostos a cada 270 mm alternando altura em relação à seção (Figura 7a), a segunda placa, dois pregos a cada 270 mm com espaçamento de 30 mm e 25 mm de distância em relação aos limites da seção transversal (Figura 7b).

a) Arranjo com pregos alternados.

a) Arranjo com dois pregos a cada 270 mm

Figura 7: Perspectiva da placa de MLP

O arranjo de produção e ensaio das placas com prego de madeira seguiu as mesmas configurações das placas pregadas com prego anelado metálico. Utilizou-se o prego de madeira do fabricante Lignoloc e máquina Beck para aplicação. Primeiramente alguns testes da aplicação do prego foram feitos em pequenas amostras de madeira.

O procedimento dos testes das placas foi realizado conforme o descrito por Pereira [6], com base na ANSI/APA PRG 320 (2011), com dimensões 2600 mm x 1500 mm.A configuração do ensaio é apresentada na Figura 8, com posicionamento da placa de MLP no sentido das lamelas com orientação para o sentido do vão, apoiada em dois tubos metálicos posicionados a 100 milímetros de suas bordas. Uma viga de perfil metálico l é disposta no eixo central da placa, cujo cilindro hidráulico é ajustado para seu centro seja coincidente com a face do MLP. Após, 3 transdutores de deslocamento do tipo LVDT com percurso máximo de 100 mm cada, na parte inferior da placa na direção transversal da viga metálica, sendo um alinhado ao eixo do cilindro e os demais equidistantes do meio da distância entre o centro e a borda da placa. A carga foi medida por uma célula de carga com capacidade de 250 toneladas.

Figura 8. Configuração do ensaio

A carga é aplicada gradualmente até o limite de l/300, tal qual l é o vão que corresponde à distância entre os apoios da placa. Desse modo, a carga é aplicada até o limite de 8 milímetros, ao atingi-lo, faz-se o descarregamento e repete-se o processo por mais duas vezes. Em seguida, a carga é aumentada até a ruptura da placa. Os resultados foram analisados de forma comparativa entre o MLP pregado com prego anelar e com prego de madeira.

3. RESULTADOS

Com base nos resultados parciais obtidos no ensaio de flexão das placas de MLP pregadas com pregos metálicos, foi possível observar o seu comportamento, através dos dados de força versus deslocamento, que indicou comportamento elástico, no intervalo da deformação máxima de 8 milímetros. A Tabela 1 apresenta os resultados referentes à densidade, força de ruptura, módulo de elasticidade estático e módulo de ruptura.

A média do módulo de elasticidade da placa 1 foi de 8721 MPa e a da placa 2 foi de 9061 MPa. Em relação à força de ruptura, não houve diferença significativa entre as placas, de modo que a placa 1 foi 2,71% maior. A Figura 9 apresenta a placa ensaiada, tendo ruptura por tração nas fibras inferiores.

Figura 9. Placa de NLT rompida

Os autores Li et al. [1] encontraram valores médios próximos do módulo de elasticidade de 9691 MPa e resistência à flexão de 31,7 MPa para corpos de prova de abeto-pinheiro com densidade média de 445 kg/m³ e seção transversal 306 mm de largura e 140 mm de altura com comprimento de 3050 mm, cujo comportamento foi elástico linear com falha de ruptura por tração na parte inferior das laminações. Tal estudo concluiu que a capacidade de carga do NLT não diminuiu significativamente porque as laminações não falham ao mesmo tempo.

Derikvand et al. [7] testaram placas de NLT de eucalipto nitens, de rápido crescimento, com dois comprimentos (2600 mm e 3600 mm) e seção de 140 mm x 280 mm, e encontraram o módulo de elasticidade médio de 9270 MPa. Valor próximo aos encontrados nas placas com pregos metálicos.

Ensaios preliminares da inserção do parafuso de madeira foram feitos em amostras de madeira. Foi possível perceber que o prego se liga à madeira por meio da lignina (Figura 10). Posteriormente, observou-se o desempenho de tal parafuso por meio das placas de MLP, através do ensaio de flexão.

a) prego de madeira inserido

a) aspecto do prego na madeira

A Tabela 2 apresenta os resultados das placas com pregos de madeira, cujo comportamento foi o mesmo das placas com pregos metálicos.  São exibidos os dados referentes à densidade (kg/m³), força de ruptura (kgf), módulo de elasticidade estático (MPa) e módulo de ruptura (MPa).

O módulo de elasticidade médio da placa 1 foi de 8142 MPa e o da placa 2 foi de 8581 MPa. Houve uma redução percentual da força de ruptura de 4% entre as placas. Em relação à placa com pregos metálicos observou-se que a resistência à ruptura com pregos de madeira foi 7% menor. Tal redução ainda justifica a troca do prego metálico pelo prego de madeira, pois não é significativa. Além disso, a fixação do prego de madeira permite recorte de placas no momento da instalação. Pode-se perceber a ligação ocorrida após a inserção do prego à madeira (Figura 10).

4.CONCLUSÕES

Constituindo-se uma tecnologia muito antiga, o produto MLP, ainda apresenta características físicas e mecânicas muito interessantes para aplicação em projetos e empreendimentos contemporâneos, além de representar modernidade, possuir custo-benefício e estética capaz de se alinhar a arquitetura atual. Isso faz com que o MLP seja um produto que se destaca no mercado brasileiro que possui madeiras tropicais em abundância que podem ser empregadas na produção de tal produto engenheirado. Conforme os resultados obtidos foi possível observar que o MLP com pregos metálicos apresentou bom comportamento, dentro do esperado. Tal fato reforça a aplicação do produto, visto que já foi utilizado em várias obras residenciais e comerciais no Brasil, sobretudo as desenvolvidas pela Rewood, tendo boa aceitação no mercado. Em relação ao MLP com pregos de madeira concluiu-se que houve uma redução percentual de 7%. Mesmo assim se constitui uma solução interessante para a fixação do produto, sobretudo quando se tem divergências de projeto que tornam necessários os recortes de placas. Além disso, trata-se de uma fixação por um produto ecologicamente correto que pode agregar valor ao emprego da madeira lamelada pregada. Todavia, deve ser realizado um estudo econômico-financeiro acerca do prego de madeira, a fim de viabilizar o uso desse produto.

Carlito Calil Júnior ¹, Carlito Calil Neto ², Melissa Lago de Jesus S. Silva* ³

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Tetti pelo fornecimento do material.

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Referência: 

• Li, Zheng.; Feng, Wei.; He, Minjuan.; Chen, Fej.; Sun, Xiaofeng. (2023) Bending performance of nail laminated timber: experimental, analytical and numerical analyses [Desempenho à flexão de madeira laminada pregada: análises experimentais, analíticas e numéricas]. Constr. Build. Mater. 389: 131766. doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131766.
• Holt, Rebecca; Perkins+Will; Luthi, Tanya; Fast+Epp; Dickof, Carla. (2017) Nail Laminated Timber: u.s. design & construction guide v 1.0. Binational Softwood Lumber Council. 142 p.
• Yermán, L.; Zhang, Y.; He, J.; Xiao, M.; Ottenhaus, Lisa-Mareike; Morrell, J. J. (2022) Effect of wetting and fungal degradation on performance of nailed timber connections [Efeito do umedecimento e da degradação fúngica no desempenho de conexões de madeira pregada].  Build. Mater. 353: 129113. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129113.
• Riggio, M.; Sandak, J.; Sandak, A. (2016) Densified wooden nails for new timber assemblies and restoration works: a pilot research [Pregos de madeira densificados para novas montagens de madeira e obras de restauração: uma pesquisa piloto]. Constr. Build. Mater. 102: 1084-1092. doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.06.045.
• Cesar Moraes Pereira, M. (2015) Metodologia para estudo da caracterização estrutural de painéis de Madeira Laminada Colada Cruzada. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo, SP, Brasil. 107 p.
• Derikvand, Mohammad; Kotlarewski, Nathan; Lee, Michael; Jiao, Hui; Chan, Andrew; Nolan, Gregory. (2019) Short-term and long-term bending properties of nail-laminated timber constructed of fast-grown plantation eucalypt [Propriedades de flexão de curto e longo prazo de madeira laminada com pregos construída com plantação de eucalipto de crescimento rápido]. Construction And Building Materials, v. 211, p. 952-964. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.305.