ISEL - Construções Antigas de Madeira - Reforço Estrutural

CONSTRUÇÕES ANTIGAS DE MADEIRA

Reforço Estrutural

ISEL Instituto Superior de Engenharia SEMINÁRIO: CONSTRUÇÕES ANTIGAS DE MADEIRA/ Reforço EstruturalPaulo Osório novembro/ 2008

INTRODUÇÃO


A Reabilitação dos edifícios antigos nos Centros Urbanos de Portugal é uma

tarefa urgente. Esses edifícios têm normalmente soalhos, escadas e coberturas em

madeira.

Portugal é um país rico em edifícios de elevado valor patrimonial em que

uma parte significativa dos elementos estruturais, nomeadamente em coberturas, é

em madeira. Reabilitar estes edifícios é uma tarefa que nunca terá fim.

Tendo em conta esses factos bem como o meu interesse na área de

reabilitação, neste trabalho apresento, de forma muita genérica, os principais

problemas com que os Engenheiros e os Arquitectos se confrontam quando

necessitam de projectar intervenções de reabilitação de estruturas de madeira

existentes.

O conteúdo do mesmo inclui a apresentação geral dos seguintes pontos:

caracterização das principais patologias, os métodos e técnicas de inspecção, os

modelos teóricos de reabilitação, algumas medidas de carácter construtivo e os

tratamentos curativos e de protecção.

1. REABILITAÇÃO EM PORTUGAL

1.1 Conservação, Termos e Significados

1.2 A Prática da Reabilitação

1.3 Gestão e Classificação do Património Português

1.4 Valorização do País

2. PRINCIPAIS PATOLOGIAS QUE AFECTAM AS ESTRUTURAS DA MADEIRA

2.1 Anatomia da Madeira

2.2 Propriedades Fisicas da Madeira

2.3 Propriedades Mecânicas

2.4 Madeiras Usadas na Construção

2.5 Principais Patologias que atacam as Estruturas da Madeira

3. MÉTODOS E TÉCNICAS DE INSPECÇÃO

3.1 Meios e Técnicas de Inspecção Correntes

3.2 Técnicas de Inspecção Especiais

3.3 Reconhecimento Visual Prévio

3.4 Levantamento Arquitectónico

3.5 Levantamento EstruturalISEL Instituto Superior de Engenharia SEMINÁRIO: CONSTRUÇÕES ANTIGAS DE MADEIRA/ Reforço EstruturalPaulo Osório novembro/ 2008

4. MEIOS E TÉCNICAS DE INSPECÇÃO

4.1 Reparação e Substituição, Usando Técnicas Antigas

4.2 Reparação e Substituição, Usando Ligadores Modernos

4.3 Substituição Integral da Estrutura, Usando Modelos Antigos e Materiais e

técnicas de Ligação Moderna

4.4 Substituição Integral por uma Nova Estrutura Moderna

5. SOLUÇÕES DE REABILITAÇÃO

6. TRATAMENTOS CURATIVOS E DE PROTECÇÃO

6.1 tratamentos Curativos e Preventivos de Preservação

6.2 Protecção Contra o Fogo

6.3 Protecção Contra o Envelhecimento e Acabamento da Madeira


1. REABILITAÇÃO EM PORTUGAL1.1 Conservação Termos e Significados

• CONSERVAÇÃO, s.f. Acto de conservar; retenção

• CONSERVAR, v.tr. Manter no estado actual; não perder; reter

• REABILITAÇÃO, s.f. Acto ou efeito de reabilitar; regeneração

1.2 A Prática da Reabilitação

• INVESTIMENTO para Conservação e Recuperação do Património:- Portugal: cerca de 10%- Europa: cerca de 40% (com tendência a aumentar)

→ Estruturação das empresas, definição de critérios e apoios da formação técnica e qualificação da mão de obra

→ Este facto irá fomentar transformações legais e regulamentares na legislação em geral

→ Surgiu em Portugal uma associação de empresas – Grémio das Empresas de Conservação e Restauro do Património Arquitectónico (GECORPA)


1.3 Gestão e Classificação do Património Português

• 1880/ portaria 10 de Dezembro, procedeu-se ao inicio da inventariação dos monumentos portugueses com a primeira lista, publicada em 1907/ decreto 10 de Janeiro

• 1929 criou-se a Direcção Geral de Edifícios e Monumentos Nacionais (DGEMN)

• Em Portugal existem três categorias de património arquitectónico:- Monumentos Nacionais (edifícios históricos)- Imóveis de Interesse Público (teatros, auditórios, museus, etc.)- Valores Concelhios (edifícios privados com imagem de marca)

• 1972 na conferência geral de organização das Nações Unidas para a educação, ciência e cultura foi adoptada por 150 países a convenção para a protecção do património mundial, cultural e natural.

- esta convenção é constituída pelos seguintes órgãos:- Assembleia Geral, representada por todos os estados membros - Comité representado por apenas 21 estados membros- esta organização compete a implementação da conservação, a decisão sobre as inscrições na lista de património mundial, examinar relatórios sobre conservação e tomar medidas sobre os bens


• dos 690 bens, 122 estados que o Comité do Património Mundial inscreveu na sua lista (529 bens culturais, 138 bens naturais e 23 bens mistos) 12 estão incluídos no nosso país, sendo os seguintes:

- Centro Histórico de Angra do Heroísmo, nos Açores- Mosteiro dos Jerónimos e Torre de Belém, em Lisboa- Mosteiro da Batalha- Convento de Cristo, em Tomar- Centro Histórico de Évora- Mosteiro de Alcobaça- Paisagem Cultural de Sintra- Centro Histórico do Porto- Sítios Arqueológicos no Vale do Rio Côa - Floresta Laurissilva, na Madeira- Centro Histórico de Guimarães- Alto Douro Vinhateiro

• Instituto Português do Património Arquitectónico (IPPAR) cabe a missão de conservar, preservar, salvaguardar e valorizar o património arquitectónico português, em missão de pareceres sobre monumentos ou sítios.


1.4 Valorização do País

• A palavra património é sinónimo de herança, devendo ser transmitida às gerações futuras com o intuito de ser preservado e valorizado.

• A degradação actualmente existente no património, deve-se essencialmente à ausência de manutenções periódicas que asseguram a sua preservação.

• são consideradas como causas da degradação do património em geral:

- desaparecimento dos artesãos- conservação básica de edifícios (limpeza de telhados, pinturas de fachadas e caixilhos)- gestão do estado, de modo a contemplar verbas para conservação- intervenções de restauro ou reabilitações mal concebidas


2. PRINCIPAIS PATOLOGIAS QUE AFECTAM AS ESTRUTURAS DE MADEIRA

2.1 Anatomia da Madeira

• É um material natural, orgânico, anisotrópico e estrutura celular complexa e desempenha as funções estruturais, de transporte da seiva, sendo classificada genericamente, em duas categorias:

- MADEIRAS DURAS, provenientes de árvores folhosas (Ipê, Aroeira, Carvalho, Castanho, etc.)- MADEIRAS MACIAS, provenientes de árvores coníferas ou resinosas

(Pinheiros, Eucaliptos, etc.)

• A composição química é muito importante uma vez que está relacionada com as suas características mecânicas de trabalhabilidade, de durabilidade e de estética


1º - ESTRUTURA SUBMICROSCOPICA

• A parede secundária resiste aos esforço de Tracção e Compressão.

• quando o esforço é de Compressão, as faces das fibras dessa parede comportam-se como colunas comprimidas, em que a 1ª camada e a última actuam como reforço impedindo o seu empenamento e proporcionando elasticidade e durabilidade do conjunto.

Constituição da parede celular da madeira: parede primária - P1, parede secundária - P2, camadas celulares - S1, S2 e S3, membrana exterior intercelular - ME, parede terciária - P3.


2º - ESTRUTURA MICROSCÓPICA

• As células encontram-se distribuídas nos sentidos longitudinal e transversal formando assim a sua estrutura, diferenciando-se desse modo em Madeiras Resinosas ou Folhosas

• Relativamente às Resinosas, as fibras são essencialmente do tipo traqueídas (tubulares de secção rectangulares, com aberturas nas extremidades


Microestrutura (a), e sentido do movimento dos fluidos (b) das madeiras resinosas.

• As Folhosas têm tecido celular formado por células do tipo traqueídas, em que as paredes são mais espessas, mais curtas e delgadas, do que as traqueídas das madeiras resinosas.


Microestrutura (a), e sentido do movimento dos fluidos (b) nas madeiras de folhosas.

• Os principais elementos constituintes da madeira são:

- carbono, em grande percentagem/ 50%- oxigénio/ 44%- hidrogénio/ 6%

• Em relação aos compostos orgânicos, são:- celulose/ 50%, é um polímero de glicose que forma as paredes das fibras longitudinais, resiste a esforços de tracção, sendo insolúvel em água.- lenhina/ 22 a 31%, é um polímero tridimensional com função aglutinante

da celulose. É impermeável, insolúvel, resistente a esforços de compressão e de corte.

- hemicelulose/ 19 a 30%, é um polímero amorfo ramificado por açúcares diversos. A sua função é de ligante da celulose com função estrutural.

- sais minerais/ 0.2 a 1.0%, como alimento dos tecidos vivos, as resinas óleos, ceras, etc. que proporcionam a coloração e o cheiro característico das peças.


3º - ESTRUTURA MACROSCÓPICA

Secção transversal de um tronco (a) e os planos principais da madeira (b)


• As células encontram-se distribuídas nos sentidos longitudinal e transversal formando assim a sua estrutura, diferenciando-se desse modo em Madeiras Resinosas ou Folhosas

• A casca ou protecção externa da árvore, é constituída por uma camada externa de células mortas, variável consoante a idade e a espécie, e uma camada interna fina de tecido celular vivo que transporta as substâncias nutritivas das folhas para o tronco. Resiste a esforços de tracção.

• O borne é o nome dado aos anéis mais externos com baixa resistência mecânica e ao ataque de fungos e insectos. A sua função é de transporte de seiva das raízes para as folhas.

• O cerne é constituído por células mortas, impregnadas de vários minerais. Apresenta maior densidade, maior resistência mecânica e maior resistência ao ataque dos fungos, devido à presença dos minerais

• A medula é o núcleo do tronco da madeira onde se verifica o primeiro crescimento.


2.2 Propriedades Físicas da Madeira

1.1 CONSERVAÇÃO, TERMOS E SIGNIFICADOS

• A humidade da madeira tem grande influência sobre as suas propriedades, podendo ser apresentada na madeira, sob três formas:

- água de constituição – é a que forma a parte da madeira

- água de impregnação – é a água contida nas paredes celulares. À medida que diminui o grau de humidade, aumenta a resistência mecânica da madeira, no entanto a dureza e resistência ao choque diminuem.

- água livre – é aquela que se encontra na madeira numa percentagem superior à correspondente ao ponto de saturação das fibras. Este tipo de água não influi nas propriedades fisico-mecânicas.

→ A diferença entre a retracção radial e a tangencial representa a causa da deformação das madeiras durante a secagem, por essa razão preferem-se madeiras com retracções radiais e tangenciais idênticas.


→ A retracção da madeira pode ter as seguintes repercussões, tais como:

- tensões produzidas nas ligações, originando fendas nas zonas das fixações

- desajustes e folgas nas ligações

- fendas de secagem, que diminuem a qualidade da peça, favorecendo o ataque de organismos xilófagos

→ A dilatação linear na direcção longitudinal é de cerca de 1/3 do coeficiente de dilatação do aço. Na direcção radial é de 4 a 7 vezes o coeficiente de dilatação do aço.

→ A densidade real da madeira (da parede celular) é constante para todas as espécies, sendo igual a 1500Kg/m3


2.3 Propriedades Mecânicas


C22 D30

Propriedades resistentes em N/mm2 (MPa)Flexão fm,k 14 16 18 22 24 27 30 35 40 30 35 40 50 60 70Tracção // f,.o.k 8 10 11 13 14 16 18 21 24 18 21 24 30 36 42

Tracção -1 f,.90,k 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0.6 0.6 0.6 0.7 0.9Compressão // fc,0,k 16 17 18 20 21 22 23 25 26 23 25 26 29 32 34

Compressão -1 fc,90,k 4.3 4.6 4.8 5.1 5.3 5.6 5.7 6.0 6.3 8.0 8.4 8.8 9.7 10.5 13.5Corte fv, k 1.7 1.8 2.0 2.4 2.5 2.8 3.0 3.4 3.8 3.0 3.4 3.8 4.6 5.3 6.0

Propriedades de rigidez em KN/mm2 (Gpa)

Modulo Elasticidade //

E0,mea„ 7 8 9 10 11 12 12 13 14 10 10 11 14 17 20

Modulo Elasticidade // (5°percentil)

E0jk 4.7 5.4 6.0 6.7 7.4 8.0 8.0 8.7 9.4 8.0 8.7 9.4 11.8 14.3 16.8

Modulo E. ┴ E9o.mea„ 0.23 0.27 0.30 0.33 0.37 0.40 0.40 0.43 0.47 0.64 0.69 0.75 0.93 1.13 1.33Módulo de distorção

G 0.44 0.50 0.56 0.63 0.69 0.75 0.75 0.81 0.88 0.60 0.65 0.70 0.88 1.06 1.25

Densidade em Kg/m3

Densidade Pk 290 310 320 340 350 370 380 400 420 530 560 590 650 700 900Densidade média Ρmean 350 370 380 410 420 450 460 480 500 640 670 700 780 840 1080

Espécie FolhosasD35 D40 D50 D60 D70

Espécie ConíferasC14 C16 C18 C24 C27 C30 C35 C40

Classes resistentes da madeira maciça e valores característicos

→ A relação entre a tenção e deformação é linear numa primeira fase e não linear na segunda fase.

→ Quanto menor for o módulo de elasticidade, menor é a resistência à compressão de peças esbeltas

→ Resistência à tracção é superior à resistência à compressão nas madeiras livres de defeitos

→ A resistência à tracção perpendicular às fibras da madeira é baixa (30 a 70 vezes menor que na direcção paralela às fibras), devido à existência de poucas fibras na direcção perpendicular ao eixo da árvore.

→ Resistência à Compressão perpendicular às fibras da madeira é menor que na direcção paralela às fibras

→ A rotura é realizada por deslizamento das fibras laterais por efeito das tensões tangenciais de deslizamento lateral (este tipo de esforço surge em casos específicos, tais como nas ligações coladas entre a alma o banzo de vigas em duplo T)

→ O módulo de elasticidade da madeira varia consoante o tipo de esforço (à tracção ou compressão) sendo geralmente usado o módulo de elasticidade aparente que corresponde à flexão.



MADEIRA CLASSE DE QUALIDADE (NORMA) CLASSE DE

RESISTÊNCIA

Pinho bravo (Pinus pinaster Ait.) EN (NP 4305) C18* Casquinha (Pinus silvestris L.) SS (BS 4978) GS (BS 4978) C24 C16 Espruce (Picea abies Kars) S13 (DIN 4074) S10 (DIN 4074)

S7 (DIN 4074) C30 C24 C16

Câmbala (milícia excelsea A. Chev. ou M.Regia A. Chev.)

HS (BS 5756) D40

Classes resistentes da madeira maciça e valores característicos

→ O efeito da duração da aplicação de carga tem influência na resistência da madeira, que diminui para grandes durações de tempo

→ O factor com mais importância na resistência da madeira é a sua qualidade, mais concretamente são os defeitos que esta pode possuir:

- nós criados pelos ramos das árvores - desvio da fibra afectada pela presença de nós- existência de fendas longitudinais radiais aquando a secagem que cortam

os anéis de crescimento. - fendas longitudinais tangenciais produzidas pela separação dos anéis de crescimento, como consequência da falta de aderência entre as

membranas da madeira.


2.4 Madeiras Usadas na Construção

• Madeiras maciças- Madeira Roliça ( Const. Rurais – estacas, escoramentos e postes), falquejada ( Obtida em árvore com o uso de um machado – estacas, cortinas cravadas) e Serrada ( Cortada segundo dimensões standardizadas e é submetida a um período de secagem).

• Madeiras Industriais- Produtos técnicos à base de madeira ( Lamelado colado, madeiras compensadas, madeiras microlameladas coladas).

2.5 Principais Patologias que Atacam as Estruturas de Madeira

• Patologias de origem biológica ( fungos, insectos e xilófagos )• Agentes atmosféricos ( sol, chuva, neve, vento)• Agentes químicos• Fogo• Deficiente concepção ou uso estrutural


Madeira atacada por fungos de podridão


Insectos de ciclo larvar


Térmitas – ninho e madeira com rainha


Linha de asna comida por térmitas na zona do apoio


Mecanismo de degradação de uma peça de madeira sujeita ao sol e à chuva

Causa Efeito

Raios solares Retracção madeira. Madeira cinzenta (decomposição lenhina)

Esforços internos Fendas longitudinais

Chuva Água nas fendas

Inchamento Aprofundamento das fendas

Fendas profundas Permanência da humidade

Permanência humidade Desenvolvimento fungos/insectos

Acção de fungos/insectos Deterioração interna

Deterioração pronunciada Perda de resistência/ ruína



• A inspecção deve incidir sobre as seguintes áreas principais:

→ Patologias→ Avaliação da idade→ Qualidade→ Estado de conservação→ Resistência mecânica da madeira

• Tentar obter em pesquisas prévias os seguintes dados:

→ Data de construção→ Materiais constituintes, sistema construtivo→ Ocupações e usos do edifício→ Reparações anteriores→ Tipos de terreno→ Águas pluviais e freáticas


3.1 Meios e Técnicas de Inspecção Corrente

• Para a inspecção deve aceder-se ao local com roupas velhas e com o corpo devidamente protegido, munido dos seguintes elementos;

→ Lanterna ou foco de luz→ Medidor de humidades→ Lupa e espelhos refectores→ Martelo com cabeça larga→ Berbequim eléctrico→ Câmara fotográfica→ Óculos

Ferramentas diversas


3.2 Técnicas de Inspecção Especiais

• As técnicas de inspecção incluem;

→ Ultra-sons→ Vibrações induzidas→ Registógrafo→ Avaliação da massa volúmica por raios gama→ Dendrocronologia/Carbono (datação da madeira)→ Detecção acústica de insectos xilófago

3.3 Reconhecimento Visual Prévio

→ A avaliação da fachada deve incluir a detecção de fissuras e avaliação sumária do estado geral das alvenarias

→ A avaliação da cobertura deve incluir a avaliação da pendente, do estado dos revestimentos e dos complementos de estanquidade.

→ Numa segunda fase procede-se à inspecção no interior onde é importante analisar numa perspectiva geral; (as deformações em pavimentos e tectos, geometria das escadas de acesso)

3.4 Levantamento Arquitectónico

→ Indispensável para obter a geometria dos espaços (pés direitos, larguras, comprimentos) e tentar descobrir o funcionamento estrutural do edifício.

→ Intervenção pode implicar alterações à solução arquitectónica existente, pelo que é necessário conhecer com rigor a solução.

3.5 Levantamento Estrutural

→ Definição de plantas e cortes esquemáticos da estrutura existente. → É necessário dar atenção especial atenção aos pontos críticos : apoios na

parede, topos de vigas expostas, ligações, bases de pilares e montantes.

→ Inspeccionar mais demoradamente as zonas de maior risco : Coberturas, Apoios em paredes, zonas de águas ( cozinhas e WC), fundações.



4.1 Reparação e Substituição, Usando Técnicas Antigas

→ É a situação mais corrente. Pressupõe que os elementos em madeira se encontram em geral em boas condições, permitindo que a estrutura se mantenha no local com a forma anterior à intervenção.

→ Ligações feitas por samblagem e por ligadores do tipo cavilha.


→ Peças integralmente removidas, são substituidas por peças de dimensões análogas.

→ É necessário calçar as peças antigas para obter estruturas geométricamente correctas.

→ As madeiras usadas nos calços ou tacos, devem ser de muito boa qualidade em termos de dureza e durabilidade natural.


Ligações de prótese de topo em peças de madeira

4.2 Reparação e Substituição, Usando Ligadores Modernos

→ Situação análoga à anterior, procurando resolver o problema das ligações com métodos e técnicas modernas.

→ Parafusos de aço inoxidável.

→ Próteses metálicas em situações de degradação de apoios e de ligações de topo em peças à tracção.

4.3 Substituição Integral da Estrutura, Usando Modelos Antigos e Materiais e técnicas de Ligação Moderna

→ Por razões arquitectónicas ou construtivas, não é possível realizar o trabalho de restauro sem desmontar a estrutura.

→ Nestes casos desmonta-se cuidadosamente as peças e colocam-se de novo no local seguindo técnicas de ligação moderna, recorrendo preferencialmente a madeiras usadas de igual espécie, qualidade e idade semelhante.

→ Peças degradadas nos extremos podem ser aproveitadas para realizar outros elementos de menores dimensões.


4.4 Substituição Integral por uma Nova Estrutura Moderna

→ Solução limite a adoptar apenas em situações extremas de ausência de materiais antigos.

→ Em casos onde os projectistas entendam não se justificar a realização de uma estrutura com materiais antigos, normalmente de custo mais elevado.

→ Peças degradadas nos extremos podem ser aproveitadas para realizar outros elementos de menores dimensões.




Protecção contra chuva incidente

• Exemplos


Próteses Metálicas

Má solução

Solução O.K.

Reconstrução de um apoio com resinas epoxy e barras de poliéster

reforçado com fibras de vidro


Reconstrução parcial de poio

FRP + Resina epoxy


MÁ SOLUÇÃO

Chapas e perfis aço pelo exterior

Próteses epoxy + barras para pilares


Reforços epoxy em asnas

Próteses metálicas em apoios asnas


Reforços epoxy em asnas


Ligação Pilar


Peça metálica de contraventamento Deixar respirar a madeira

Pendentes adequadas à telha / Aspecto de ligação no cume


Estrutura remontada com pregos

Asna de cobertura / Contraventamento – arcos granito + ventilação

→ As grandes áreas de tratamento a considerar são as seguintes;

- Tratamentos curativos e preventivos de preservação - Tratamentos contra o fogo- Protecção contra o envelhecimento e acabamento

6.1 Tratamentos Curativos e Preventivos de Preservação

→ Em geral os produtos classificam-se de acordo com o tipo de solvente e incluem;

- Protectores hidrossolúveis - Emulsões

- Protectores em solvente orgânico - Protectores mistos-Protectores orgânicos naturais

→ Quanto ao modo de aplicação podem ser aplicados por pintura (pincelagem ou pulverização), por injecção ou em pasta.

6. TRATAMENTOS CURATIVOS E DE PROTECÇÃO



→ Um Tratamento é curativo quando pretende eliminar uma infestação activa e preventivo quando se destina a retardar ou evitar totalmente os ataques pelos agentes biológicos

→ A eliminação de térmitas passa por eliminar as causas das patologias (água sob diversas formas) e tentar envenenar as colónias recorrendo a gorduras de efeito retardado ou infestação com vírus, fungos, bactérias ou parasitas (guerra biológica)

→ O tratamento preventivo clássico passa por criar barreiras químicas (venenos) no exterior e ao nível de todos os acessos às estruturas e tratar localmente por injecções as peças afectadas.

Barreiras contra térmitas

6.2 Protecção Contra o Fogo

→ A protecção contra o fogo pode ser efectuada com;

- Produtos retardadores da combustão e/ou inibidores de chama ( aplicados como pinturas )

- Produtos incorporados na massa ( sobretudo em derivados de madeira )- É necessário ter cuidado com a compatibilidade entre os produtos de preservação biológica, de protecção contra o fogo e de protecção contra o envelhecimento e acabamento

6.3 Protecção Contra o Envelhecimento e Acabamento das Madeiras

→ Uma madeira em exteriores para ter maior durabilidade deverá ser assim protegida o mais possível da acção directa do sol e da chuva e ser bem ventilada.

→ Para além disso deve ser protegida com um dos esquemas de pintura que inclui;

- Um primeiro tratamento de lixagem e emassamento para regularizar a superfície

- Uma demão se selante ( tapa-poros) - Uma demão de primário de aderência

- Pelos menos duas demãos de acabamento- Os esquemas de pintura, deverão ser sempre validados pelos fabricantes.


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