Espécie e origem da madeira

Foram utilizadas madeiras da espécie Pinus spp., previa-mente serradas e fornecidas pela Indústria Berneck S.A. Painéis e Serrados, localizada no município de Thomaz Coelho, estado do Paraná, Brasil. As madeiras ensaiadas são da espécie Pinus spp. com densidade aparente (DA) variando de 320 kg m-3 a 770 kg m-3. Os ensaios foram realizados no laboratório de Estruturas de Madeiras (LEMAD) da Universidade Federal do Espírito Santo.

Os corpos de provas (CPs), empregados para os ensaios de compressão, também foram utilizados para determinar o teor de umidade e densidade aparente da madeira. Os procedimentos de ensaio para determinação de características mecânicas seguiram as prescrições da NBR 7190 (^{ABNT, 1997}), ISO 13910 (^{International Organization for Standardization [ISO], 2013}), ASTM D143 (^{ASTM, 2014}) e COPANT 466 (^{Comision Panamericana de Normas Técnicas [Copant], 1972}).

Preparo e seleção dos corpos de prova

Em primeiro lugar, todos os corpos de prova do lote foram lixados para melhor visualização dos anéis de crescimento e contada a quantidade dos anéis de crescimento por polegada para cada corpo de prova. Depois de serem lixados, todos os corpos de prova foram medidos e pesados para a determinação de suas densidades aparentes (^ABNT,1997).

Foi determinado o teor de umidade dos corpos de prova por meio de 24 corpos de prova aleatórios, os quais foram pesados e secos em uma estufa de circulação forçada de ar (Ethik Technology, 400/5D) a uma temperatura de 103 °C ± 3 °C (^ABNT,1997).

O sentido de quantificação dos anéis de crescimento foi obtido conforme a Figura 1, atentando para a presença ou não da medula, conforme estipulado por instrumento normativo que estabelece os princípios básicos da classificação visual da madeira, descrito em D245 - 06 (^{ASTM, 2019}).

Fonte: Carreira, Dias e Calil Jr. (2004).

FIGURA 1 Linha radial representativa contendo medula (A) e em peça sem medula (B) para quantificação dos anéis de crescimento em corpos de prova. 

Mensuração da área dos anéis de crescimento Na classificação da densidade dos corpos de prova, foram considerados o número de anéis de crescimento por polegada e a proporção do lenho tardio, os quais foram divididos em três orientações diferentes: tangencial, radial tangencial e medular conforme a Figura 2.

Fonte: Elaborado pelo autor.

FIGURA 2 Definição do enquadramento das classes em função da posição dos anéis de crescimento e da medula nos corpos de prova. 

As duas primeiras classes foram subdivididas em denso e não denso, de acordo com o número de anéis, formando, dessa forma, cinco tratamentos. A norma americana D245-06 (^{ASTM, 2019}) estabelece classes de densidade para a madeira de coníferas em função da taxa de crescimento. Para ser considerada densa, a peça de madeira deve ter seis ou mais anéis de crescimento por polegada e além disso, mais de um terço (1/3) da seção transversal deve ser de madeira de inverno, ou seja, lenho tardio. Ao todo, foram empregadas 250 amostras para a realização do trabalho, considerando 50 para cada tratamento.

Para a avaliação dos anéis de crescimento, os corpos de provas foram classificados em cinco tratamentos: tangencial denso (TD), tangencial não denso (TND), radial tangencial denso (RTD), radial tangencial não denso (RTND) e classe medular (CM). A classe medular teve apenas um tratamento, pois não houve corpos de prova com anéis de crescimento densos. Nessa classe, foram considerados todos os corpos de prova, que continham medula ou aqueles com anéis de crescimento próximos a eles.

Em seguida, procedeu-se a classificação dos corpos de prova quanto à DA da madeira. Isso possibilitou a realização de uma correlação do número dos anéis de crescimento e a orientação dos planos de corte destes (radial, tangencial e radial tangencial) com as demais propriedades estudadas.

Para a determinar a proporção do lenho tardio dos anéis de crescimento, as faces dos corpos de prova foram escaneados (Epson Perfection, V750). Em seguida, as imagens foram avaliadas no software livre Image J® versão 1.49 (^{Rasband, 2012}), conforme ilustrada na Figura 3. As imagens foram, então, convertidas para a resolução de 8 bits, o que possibilitou a mensuração e a quantificação dos lenhos primaveril (branco) e outonal (preto).

(A) Entrada da face do corpo de prova; (B) Processamento da imagem; e (C) resultado do cálculo da proporção de lenho tardio Fonte: Elaborado pelo autor.

FIGURA 3 Processo de determinação do lenho tardio em software analisador de imagem. 

Em seguida, procedeu-se a classificação dos corpos de prova quanto à DA da madeira. Isso possibilitou a realização de uma correlação do número dos anéis de crescimento e a orientação dos planos de corte destes (radial, tangencial e radial tangencial) com as demais propriedades estudadas.

Ensaio de compressão normal às fibras

Para a avaliação da resistência à compressão normal às fibras e de seu respectivo módulo de elasticidade, foram empregados os requisitos da norma NBR 7190 (^{ABNT, 1997}). Os ensaios foram realizados nos mesmos 250 corpos de prova, cujos números de anéis de crescimento foram avaliados.

Para as avaliações de módulo de elasticidade, foi conectado à máquina de ensaios (ENERPAC, P80) um par de transdutor de deslocamento (LVDTs) em posição oposta à do corpo de prova. Com esse LVDT, foi possível obter o deslocamento das amostras durante os ensaios e, por consequência, as deformações e, posteriormente, correlacioná-los com a tensão submetida, conforme descrito na lei de Hooke.

O módulo de elasticidade (Ec,90), expressado em MPa, foi determinado pela inclinação da reta secante à curva tensão × deformação específica, definida pelos pontos (σ10% e ε10%) e (σ50% e ε50%), correspondentes, respectivamente, a 10% e 50% da resistência à compressão normal às fibras, avaliada no ensaio e obtida pela equação 1 (^{ABNT, 1997}).

A resistência à compressão normal às fibras (^{ABNT, 1997}) foi avaliada pelo valor convencional, determinado pela deformação específica residual de 0,2%. Para adquirir o valor da resistência à compressão normal às fibras (Fc,90) (^{ISO, 2013}), foi aplicada a equação 2. Para obtenção do Fc,90 (^{ASTM, 2014}), foi considerada a carga proporcional ao deslocamento equivalente a 2,5 mm.

Donde:

Fult = valor da carga aplicada no estado limite último (carga final)

b = largura do corpo de prova

Análise estatística

Para as análises estatísticas, utilizou-se o software SigmaPlot 13 e minitab (19.1.1.0 versão 2020). Os dados das características dos anéis de crescimento, as propriedades mecânicas e a densidade aparente da madeira foram submissas à análise de normalidade pelo teste de Shapiro-Wilk e de homocedasticidade pelo teste de Cochran. Foram realizados correlação de Pearson a 1% de significância, testes de média a 5% de significância, desvio padrão, análise de regressão linear e estatística descritiva.

As estimativas da densidade aparente, em função do número de anéis de crescimento (NAC), espessura do lenho tardio (ELT) e proporção de lenho tardio (PLT) e das propriedades mecânicas em função da DA, NAC, ELT e PLT, foram realizadas pela análise de regressão linear para o conjunto dos 250 corpos de prova.

A qualidade de ajuste dos modelos foi obtida em função de coeficiente de determinação (R2), o erro padrão e a significância de valores dos modelos.

Caracterização dos anéis de crescimento e a densidade aparente do Pinus spp.

Para os 250 corpos de prova avaliados, foi apresentada uma análise descritiva, em que foi observada a média e o desvio padrão das características dos anéis de crescimento e da DA da madeira de Pinus spp. de cada um dos cinco tratamentos, conforme pode ser observado na Tabela 1.

Os cinco tratamentos foram avaliados para as seguintes variáveis: o número de anéis de crescimento (NAC), a proporção da área de lenho tardio (PLT), a espessura do lenho tardio (ELT) e a densidade aparente (DA). Foi observado que os valores médios da DA, ELT e o NAC da madeira de Pinus spp. do tratamento tangencial denso foram maiores comparando aos demais. Enquanto os valores médios de PLT no tratamento tadial tangencial denso foram analogicamente maiores que nos outros.

Caracterização da resistência e rigidez à compressão normal às fibras (Fc,90) da madeira de Pinus

Para os testes realizados, houve diferença significativa (p < 0,05), por isso, os dados foram transformados pela raiz quadrada de x, sendo analisados novamente. Contudo, nos resultados, foram apresentados os valores originais. Nessa transformação, Ec90, o número de anéis de crescimento (NAC), a proporção de lenho tardio (PLT) e a espessura do lenho tardio (ELT) não seguiram uma distribuição normal. De fato, foi apresentada uma análise estatística descritiva (média e desvio padrão) para essas variáveis.

A Tabela 2 consta cada uma das propriedades mecânicas avaliadas pelas normas NBR (^{ABNT, 1997}), ^{ISO (2013)} e ^{ASTM (2014)}, que foram comparadas pelo teste de Tukey com nível de significância de 5%.

Análise da correlação entre as propriedades físico-mecânicos na madeira de Pinus

Para todas as propriedades (Tabela 3), houve correlação significativa (p < 0,05). O máximo valor encontrado entre Fc,90 e Fc,90 foi 0,9797; e o mínimo valor, estatisticamente significativo entre Ec,90 e PLT foi 0,3327. Referente a densidade aparente e as características dos anéis de crescimento versus mecânicas, a Tabela 3 mostra o maior valor foi entre DA e Fc,90 (0,4503) e o menor estatisticamente significante foi entre PLT e Ec,90 (0,3327).

Os resultados entre as propriedades da madeira para estimar a densidade aparente e a rigidez e resistência à compressão normal às fibras foi realizada pela análise de regressão linear simples (Tabela 4), por ser mais simples e os coeficientes serem significativos, mesmo com baixos coeficientes de correlação a ela associados.

Regressão linear das propriedades físico-mecânicas

A busca por modelos estatísticos, que estimam melhor as propriedades mecânicas em função da densidade aparente e das características dos anéis de crescimento, foi realizada por meio da análise de regressão múltipla (Tabela 5). A proporção de lenho tardio, por não ser significativa (p ≥ 0,05), foi apresentada nas equações. Os modelos múltiplos de Ec90, Kc90 e Fc90, em função de número de anéis de crescimento e densidade aparente, apresentaram evolução dos valores de R2, mas permaneceram baixos. De todos os modelos múltiplos significativos, o de Fc901 (conforme a norma NBR 7190:1997) foi o mais preciso (R2 = 0,2250), e o de Fc903 (conforme a norma ASTM D 143:2014) apresentou o menor valor de R2 (0,1860). A constante dos modelos Kc90, em função de DA, e A Fc90³, em função de ELT, não foi significativa, por esse motivo, não foi apresentada. De fato, os modelos não apresentaram correção.

Foram ajustados os modelos múltiplos de Ec90, Kc90 e Fc90, em função da densidade aparente a 12%, e as espessuras do lenho tardio e lenho inicial. Porém, a espessura do lenho inicial não foi apresentada, visto que não teve contribuição significativa no aumento das propriedades mecânicas. Todos os coeficientes de determinação foram considerados significativos, mesmo sendo baixos. Enquanto o modelo de Fc902 (conforme a norma ISO 13910:2013), em função da ELT, obteve a maior precisão (R2 = 0,3090), o modelo de Ec90 teve o menor valor (R2 = 0,1900), no entanto, comparados à regressão linear, todos os coeficientes R2 aumentaram

Caracterização dos anéis de crescimento e a densidade aparente do Pinus spp.

Os valores da densidade aparente média (399,21 kg m-3 e 554,64 kg m-3) encontrados na Tabela 1, foram similares aos valores de 460 kg m-3 e 500 kg m-3, encontrados por ^{Amorim et al (2013)} e ^{Almeida et al. (2014)}. O valor da densidade aparente obtida pode ser considerado como satisfatório, devido à maior quantidade de corpos de prova não densos, empregados nesta pesquisa, proporcionando, assim, uma menor densidade média.

O NAC por polegada e a PLT apresentaram uma correlação igual a 52,36%. Os valores médios de anéis de crescimento por polegada, nesse artigo, 2,7 (1,1 cm-1) próxima da medula e 5,6 (2.2 cm-1) próxima à casca foram semelhantes ao observado por ^{Haselein et al. (2000)}, próximo a medula em toras de Pinus elliottii, que foi 3,5 (1.4 cm-1) próxima à medula e 8,2 (3.2 cm-1) próxima à casca.

Observa-se, na Figura 3, que quanto maiores foram ELT, PLT e NAC, maior foi a densidade aparente. ^{Castro (2011)} observou que os anéis de crescimento, próximos à medula, são mais largos e com lenho tardio de menor espessura, comparados ao lenho inicial; e os anéis de crescimento próximos à casca mantinham, aproximadamente, a mesma largura e com lenho tardio de maior espessura em relação ao lenho inicial. Esse fato corrobora com ^{Rosa et al. (2013)} que ressaltaram que a largura dos anéis de crescimento está relacionada com a maturidade da madeira. ^{Ballarin e Palma (2003}) evidenciaram que a densidade aparente da madeira adulta foi maior do que a madeira juvenil. Madeiras de alta densidade proporcionam maior resistência mecânica, sendo indicadas para fins estruturais (^{Lima et al., 2014}).

Em uma análise do lenho de árvores de Pinus caribaea var. hondurensis, ^{Castro et al. (2014)} demostraram que, em árvores de maior densidade aparente, ocorreram maior porcentagem de lenho tardio, sobretudo, na madeira adulta, além de impregnação do lume das células com resina, resultando em acréscimo da sua densidade aparente média (^{Castro et al., 2014}).

Resistência e rigidez à compressão normal às fibras (Fc,90)

Na Tabela 2, foi observado que os valores médios da resistência à compressão normal às fibras do tratamento radial denso foram maiores e os do tratamento medular foram menores. Nesse sentido, ^{Melo et al. (2010)}, avaliando a madeira Araucaria angustifolia, sustentaram que a resistência mecânica da madeira, retirada das posições mais externas, próximas à casca, foi, significativamente, superior àquela formada próxima à medula.

Os resultados encontrados da resistência à compressão normal às fibras aproximaram-se das pesquisas realizadas por ^{Moya et al. (2013)}, ^{Santos (2019)} e ^{Moritani (2018)}, os quais obtiveram valores médios de 9,3 MPa, 9,06 MPa e 10,54 MPa, respectivamente. No entanto, ficaram maiores que os encontrados por ^{Mustefaga et al. (2019)} para Pinus taeda (7,52 MPa) e menores que os encontrados por ^{Rodriguez e Vergara (2008)} para Pinus canariensis (14,8 MPa). Essa diferença entre as resistências à compressão normal às fibras pode ser devido à influência da idade das peças avaliadas, ao ângulo das fibras em relação ao eixo longitudinal da peça e ao grau de polimerização da celulose (^{Mustefaga et al., 2019}).

Os resultados de Ec,90 deste trabalho ficaram semelhantes à pesquisa realizada por ^{Mustefaga et al. (2019)}, que estudaram as caraterizações físico-mecânicas da madeira juvenil de Pinus, com valores Ec,90 para Pinus taeda (341 MPa). Também comparando Ec,90 da Tabela 3 com o estudo de ^{Aira et al. (2014)}, que obtiveram valor médio de 814 MPa, ficaram menores. Enquanto os valores médios de Kc,90 deste trabalho superaram o valor médio encontrado por ^{Moritani (2018)}, que foi 3,65 Mpa mm-1. Essa diferença pode ter ocorrido em razão da quantidade, maturidade e dimensões das peças, utilizadas por estes autores.

Um estudo consistente foi desenvolvido por ^{Melo et al. (2010)}, no qual o resultado médio do módulo elástico da madeira madura de Pinus taeda foi avaliado. Essa pesquisa revelou que os resultados gerais do módulo de elasticidade da madeira juvenil eram sempre menores que o da madeira madura; a densidade aparente e o número de anéis por polegada foram superiores nesta última. Os autores sustentaram que a utilização de caracteres macroscópicos de fácil visualização, como proporção de lenho tardio ou número de anéis de crescimento por centímetro linear, pode ser empregada para a predição da resistência da madeira.

Relações entre as características dos anéis de crescimento e as propriedades físico-mecânicas do Pinus spp.

Na Tabela 3, a correlação entre Fc901 e DA chegou a 0,4488, foi menor ao do resultado de ^{Moritani (2018)}, o qual encontrou o valor 0,5550 para Pinus taeda da mesma correlação. A correlação entre DA e PLT atingiu 0,6100, que é semelhante àquela encontrada por ^{Trianoski et al. (2013)}, que foi 0,6300 para a mesma espécie precedente. Em um outro estudo, avaliando a compressão paralela em 8 espécies de Pinus tropicais, foram encontrados valores entre 0,35000 e 0,8100 e valor médio 0,5800 (^{Trianoski et al., 2014}), similar ao que foi encontrado neste trabalho.

A avaliação de DA versus NAC resultou em R2 igual a 0,5428 (p < 0,05) (Tabela 4) compatível ao encontrado por ^{Delucis et al. (2013)} para Pinus elliotti, (R2 = 0,6500). Enquanto que, na análise de Ec,90 versus DA, foi encontrado R2 igual a 0,1638, valor menor em relação ao observado por ^{Ballarin e Palma (2003)} para madeira juvenil (R2 = 0,2800) e maior ao observado ^{Moya et al. (2013)}, estudando a madeira juvenil de 15 anos (R2 = 0,1100) de Pinus taeda.

O coeficiente de determinação encontrado em Fc,902 versus DA foi R2 igual a 0,2000, resultado compatível com ^{Irby et al. (2020)}, os quais apresentaram R2 igual a 0,2200, em suas correlações para resistência à compressão paralela e densidade aparente menor que 500 kg m-3, estudando efeitos de anéis de crescimento e a densidade na compressão paralela às fibras com madeira de Pinus. Todavia, inferior ao que foi encontrado por ^{Mustefaga et al. (2019)} (R2 = 0,7800), relacionando densidade aparente com a resistência à compressão normal às fibras para Pinus taeda.

Entretanto, os coeficientes de determinação dos modelos de regressão linear foram baixos. Nesse caso, buscou-se modelos matemáticos com melhor precisão, em razão disso, realizou-se análise de regressão múltipla para estimar as propriedades mecânicas em função das características dos anéis de crescimento e da densidade da madeira.

Nesse caso, os modelos da tabela 5 não foram ajustados. Enquanto a Fc,902, em função de DA e ELT, apresentou maior valor (R2 = 0,3090), o Fc,903 obteve o menor valor (R2 = 0,1860%). Por outro lado, comparados com a regressão linear, todos os coeficientes R2 melhoraram. Isso demostra que a combinação da densidade aparente e as características dos anéis de crescimento podem melhorar a estimação das propriedades mecânicas.

Os coeficientes de determinação encontrados para as propriedades físico-mecânicas foram menos ajustados. Esses resultados podem ser explicados pelo fato de que, no crescimento inicial de Pinus, o lenho tardio é bastante próximo em densidade e as propriedades são mais influenciadas pelo ângulo da microfibrila e pela composição química da madeira (^{Moya et al., 2013}; ^{Alteyrac, 2015}; ^{Funda et al., 2020}).

Por outro lado, ^{Irby et al. (2020)} analisaram o R2 da compressão paralela às fibras para corpos de prova de 50,8 mm x 254 mm e variaram o número de anéis de crescimento até maior que 5 (2 cm-1), obtendo modelos mais ajustados (R2 = 0,4600) para os corpos de prova com anéis de crescimento por polegada maior que 5 (2 cm-1). Isso demostra os baixos valores encontrados nesta pesquisa, os quais estão relacionados à alta porcentagem de corpos de prova, que tiveram número de anéis de crescimento por polegada menor que cinco (< 2 cm-1).

Para as três normas, empregadas na avaliação da resistência à compressão normal às fibras, os resultados mostram que houve diferença estatisticamente, significativa