Tendências modernas das Estruturas de Madeira

A Coluna "Estruturas de madeira" é publicada nos números ímpares da Construção Magazine. No número 81 foi abordado o tema das novas tendências das estruturas de madeira.

(5) Novidades ao nível dos materiais

Investigação em materiais à base de madeira – tendências atuais

Os materiais à base de madeira com elevado desempenho estão a ser procurados pela comunidade científica de uma forma bastante afincada como resultado das solicitações de mercado. O setor da construção em madeira está a desenvolver-se rapidamente e há a consciência dos agentes da mesma de que a madeira e derivados tradicionais não dão resposta a todas as necessidades.

As grandes áreas de inovação nesta área estão ligadas ao desenvolvimento de “materiais híbridos”, de “madeira modificada” e dos compósitos que incluem madeira na composição.

Atividades de investigação em cada uma destas áreas são cada vez em maior número mas ainda assim porventura estão a desenvolver-se a um ritmo inferior ao desejável considerando que muitos dos produtos desenvolvidos e estudados em laboratório nunca chegarão a ver a luz do dia da produção industrial.

Em termos operacionais a investigação procura encontrar produtos que melhoram uma ou mais das propriedades da madeira com destaque para a durabilidade e para a estabilidade dimensional.

Neste artigo apresentam-se exemplos de soluções de materiais inovadores em madeira.

O artigo baseia-se sobretudo nas referências bibliográficas [1] a [8], identificadas no final do artigo.

A durabilidade como o principal problema

A natureza está programada para reciclar a madeira num relativamente curto período de tempo através de processos biológicos, térmicos, químicos, fotoquímicos e como resultado da ação da água e de ações mecânicas.

Em termos muito simplistas, a natureza fabrica a madeira a partir de água e dióxido de carbono e dispõe de muitas ferramentas para a “reciclar” naturalmente usando cinco processos químicos básicos (oxidação, redução, desidratação, hidrólise, reações de radical livre).

Quando cortamos uma árvore, temos assim de a “secar” para reduzir a velocidade de degradação natural e obter a madeira maciça original, um material mais durável mas ainda assim muito exposto aos atrás referidos processos químicos.

A investigação associada à madeira enquanto material assenta assim sobretudo na definição de processos de intervenção sobre a madeira maciça no sentido de gerar produtos mais duráveis e com formas, cores, estabilidade dimensional, durabilidade, entre outras, melhor adaptados aos usos pretendidos por profissionais de diversas áreas com destaque para a Arquitetura e o Design de Mobiliário e de componentes para a construção.

Madeira híbrida

A madeira híbrida resulta da transformação de madeira serrada proveniente da árvore através da impregnação de materiais minerais nas paredes das células das peças de madeira à escala “nano” ou “micro”, por processos físicos.

Os materiais que resultam destas operações designam-se por madeira híbrida e combinam a estrutura básica celular da madeira (simplificadamente constituída por 50% de celulose, 25% de hemicelulose e 25% de lenhina, a que se juntam percentagens desprezáveis de minerais – as “cinzas” finais de um qualquer processo de combustão de peças de madeira) com fases inorgânicas, ou seja, de origem mineral, gerando materiais com propriedades melhoradas sobretudo ao nível da combustibilidade e da durabilidade.

Madeira modificada

A madeira modificada constitui uma área crítica e fundamental da investigação associada à floresta e à construção em madeira.

A modificação da madeira inclui diversos tipos de tratamentos:

       - químicos;

        - térmicos;

        - por impregnação (físicos) – dá origem à madeira acima definido como madeira híbrida;

        - por polimerização.

Muitos dos processos de “modificação” ainda se encontram ao nível da investigação científica em Laboratórios de Universidades e de Institutos de Investigação mas outros já passaram para a fase industrial, com destaque para a Madeira Termicamente Modificada.

Não sendo possível, por falta de espaço, apresentar exemplos exaustivos de muitos materiais que se encontram neste momento em processo de criação mas também de exploração comercial, neste artigo apresentam-se alguns exemplos mais conhecidos e já disponíveis no Mercado.

Salienta-se desde já que é importante estabelecer protocolos que impliquem o uso de “químicos verdes” nos processos de modificação para que os produtos que vierem a aparecer no mercado mantenham as características “verdes” e sustentáveis da madeira maciça não modificada!

Compósitos madeira-polímero

Esta família de materiais retém a estrutura celular base da madeira e incorpora outros materiais orgânicos com características de polímero, originando um material compósito com melhores propriedades sobretudo ao nível da durabilidade e da estabilidade dimensional.

Resultam basicamente da polimerização de monómeros livres da madeira original como resultado da reação química com polímeros escolhidos para melhorar propriedades específicas concretas da madeira original.

Esta área de investigação visa sobretudo encontrar materiais mais estáveis e duráveis e que tenham uma capacidade acrescida de se adaptarem às condições de temperatura e humidade dos locais sem que sofram variações dimensionais importantes.

Madeira termicamente tratada

Os processos de tratamento térmico têm sofrido uma grande evolução nas últimas décadas. O CEN [2] define madeira termicamente modificada como madeira em que o material de composição das células de madeira e as suas propriedades foram modificadas como resultado da exposição das peças a uma temperatura superior a 160º (entre 160º e cerca de 220º) sob condições de baixa disponibilidade de oxigénio. O tratamento térmico modifica a estrutura química da madeira.

O processo envolve a degradação controlada da madeira que determina numa primeira fase a destruição da hemicelulose. O tratamento térmico é feito num ambiente de vácuo, ou na presença de vapor de água ou na presença de um gás inerte como o azoto. Petróleo preaquecido pode também ser usado como produto de transmissão do calor, servindo também para isolar a madeira do acesso de oxigénio.

A madeira tratada termicamente perde massa volúmica (entre 10 e 15%) o que se julga dever-se à destruição da hemicelulose. Os efeitos do tratamento térmico não são todos benéficos. Os principais efeitos negativos incluem a perda de alguma capacidade resistente e o aumento da fragilidade. A destruição da hemicelulose diminui sobretudo a capacidade resistente no sentido perpendicular ao fio da madeira.

Nesse contexto, este tipo de madeira é sobretudo usado para funções de acabamento/revestimento e aplicações do tipo “deck”. Existe madeira destinada a aplicações exteriores e madeira que deve ser usada exclusivamente em aplicações interiores. É muito apreciada em aplicações de construção civil devido a ter cores mais escuras que as originais, sobretudo quando a madeira original é bastante clara (choupo, pinho, bétula, freixo, por exemplo)

Um exemplo de um produto muito consolidado no mercado e que assenta em investigação científica sólida e permanente e já com mais de 30 anos de antiguidade é o THERMOWOOD, marca registada da FINNFOREST finlandesa, que usa pinho nórdico como material de base (Pinus Sylvestris), e que está disponível para venda em Portugal em vários distribuidores. As figuras 1 e 2 apresentam exemplos de aplicações em fachada e em deck, respetivamente.

Madeira acetilada

A madeira acetilada é obtida através da reação química da madeira natural com anidrido acético em percentagens adequadas, aumentando a percentagem de “grupos acetyl” para cerca de 18% (a madeira natural tem esta percentagem entre 1 e 4%) e aumentando de forma significativa a durabilidade e estabilidade dimensionais da madeira.

A madeira acetilada apresenta ainda uma boa aptidão para receber acabamentos e tratamentos e tem uma resistência acrescida à humidade. O processo de acetilação (químico) não diminui a resistência mecânica das peças estruturais.

A figura 3 apresenta uma imagem de uma fachada feita com madeira acetilada.

Contraplacado de ultra elevado desempenho (UHPP)

Outra área de investigação importante na atualidade associa-se aos produtos moldados obtidos a partir de folha desenrolada de madeira. Da utilização dessas folhas, coladas entre si com colas apropriadas e moldadas sob pressão resultam produtos diversos da família dos contraplacados, correntemente designados por “Contraplacados de ultra elevado desempenho” (UHPP).

A produção de UHPP envolve processos industriais adequados que “amolecem” as folhas de madeira, ligam-nas com colas e comprimem-nas contra moldes para obter produtos “moldados” com muito elevado desempenho mecânico e boa estabilidade dimensional e aparência.

Tradicionalmente, os usos têm sido sobretudo procurados ao nível dos produtos para mobiliário e decoração. No entanto, atualmente a investigação neste domínio tem vindo a focar-se na criação de produtos moldados para usos em estruturas de madeira tais como chapas de cobertura ou perfis I, em tudo semelhantes aos produtos similares já disponíveis em aço.

A figura 4 apresenta um sapato moderno feito em UHPP. A figura 5 apresenta o avião MOSQUITO feito em contraplacado e criado em 1938 e usado como caça na II Guerra Mundial!!

Conclusão

A madeira é considerada um material tradicional e mantém a sua imagem clássica de material “sustentável” e amigo do ambiente. Continuam a surgir no mercado soluções novas e inovadoras que pretendem ajudar engenheiros, arquitetos e outros técnicos a dispor de soluções técnicas cada vez com melhor desempenho. É importante ter a mente aberta ao uso de novos materiais derivados de madeira mas, ao mesmo tempo, saber avaliar se uma dada solução já tem suporte técnico, científico e de produção industrial sustentada que o torne “seguro” em termos de prescrição.

Referências bibliográficas

[1] – Burgest, I.; Merk, V.; Chinana, M. – High performance wood materials – progress, challenges and visions  – WCTE2016  e-book, pp 1-5

[2] –Burnard, M.D.; Schnewkopf, M. J. ; Kutnar, A. – Interdisciplinary approaches for developing wood modification processes for sustainable building and beyond - WCTE e-book, pp 348-355

[3] – Tukainen, P.; Hugues, M. – The fracture properties of thermally modified spruce  – WCTE e-book, pp 364-371

[4] – Herrera Diaz, R.; Arrese, A, ; Labidi, J.; Llano-Rite, R.  – Dynamic evolution of physical-mechanical properties of heat-treated wood exposed to weathering conditions – WCTE e-book, pp 372-379 

[5] – Lesar, B.; Humar, M, ; Krzisnik, D.; Zlahtic, M.  – Performance of façade elements made of five diferente thermally modified wood species on model house in Ljubljana – WCTE e-book, pp 380-387

[6] - Rowell, R.M. – Acetylated wood: a stable and durable structural building material – WCTE e-book, pp 397-403

[7] - Grabner, M.; Wolf, A. ; Schwabl, E.; Schickhofer, G.  – Methods of forming veneer structures – WCTE e-book, pp 849-858 

[8] – WCTE2016 e-book – (disponível em http://shop.tuverlag.at/de/the-world-conference-on-timber-engineering)

Figura 1 – Fachada em THERMOWOOD (www.woodproducts.fi)

Figura 2 – Deck em THERMOWOOD (www.puuinfo.fi)

Figura 3 – Fachada em madeira acetilada (www.accoya.com)

Figura 4 – Sapato feito em UHPP (www.pinterest.com)

Figura 5 – Imagem de um avião mosquito (www.militaryaviationmuseum.org)

José Amorim Faria

Membro do Conselho Científico da Construção Magazine / Professor na FEUP

Se quiser colocar alguma questão, envie-me um email para jmfaria@fe.up.pt

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