Classificação e Aplicação Estrutural da Madeira de Secção Circular de Pinheiro Bravo

Tese de doutoramento em Engenharia Civil, na especialidade de Estruturas, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraEste estudo pretende fornecer as bases em termos de métodos de classificação, propriedades mecânicas e ligações para toros de pequeno diâmetro de Pinheiro bravo, de modo a permitir o seu uso em aplicações estruturais. Nesse sentido, foram seleccionadas duas amostras de toros de Pinheiro bravo, representativas da zona Centro e Norte de Portugal. Os toros foram caracterizados visualmente segundo a norma Europeia EN 1310 e ensaiados à flexão e compressão segundo a EN 14251. Foram determinadas experimentalmente a resistência à flexão e a resistência à compressão, bem como o módulo de elasticidade paralelo às fibras e a massa volúmica. As restantes propriedades mecânicas foram inferidas a partir das anteriores segundo a EN 384. São apresentados, igualmente, estudos sobre a influência das singularidades da madeira (características e defeitos) nas propriedades mecânicas do material. É também analisada a determinação experimental do módulo de elasticidade dinâmico bem como o seu uso como parâmetro de previsão da resistência. Ferramentas que permitam a geração de toros virtuais, baseada na distribuição estatística de determinadas características visuais e físicas, e estimar as suas propriedades mecânicas são de grande utilidade na previsão da qualidade da madeira de secção circular de uma floresta. Para este fim foi desenvolvido o algoritmo SIMPOLE (SIMulator of POLEs). Este algoritmo permite a geração da geometria de um toro, bem como as propriedades mecânicas da madeira limpa e a distribuição de nós ao longo do seu comprimento. A geração das características é feita com base em distribuições estatísticas. As propriedades mecânicas dos toros são determinadas de acordo com as normas EN 14251 ou EN 14229, para o caso de ensaio como viga simplesmente apoiada ou viga encastrada, respectivamente. O algoritmo tem como output a resistência à flexão, o módulo de elasticidade e a localização e causa de rotura. O SIMPOLE foi usado na previsão das propriedades mecânicas de duas amostras de madeira de secção circular de Pinheiro bravo. O potencial do algoritmo desenvolvido é discutido com base nos resultados obtidos. A aplicação estrutural deste tipo de elementos depende fortemente das ligações, uma vez que o seu dimensionamento condiciona na maioria dos casos o dimensionamento de toda a estrutura. Assim, a viabilidade e competitividade deste tipo de estrutura estão directamente dependentes do desempenho mecânico das ligações. Neste trabalho foram estudados o comportamento mecânico, força de rotura e rigidez, de três configurações de ligações, usando madeira de secção circular de Pinheiro bravo, segundo a norma EN 26891. As configurações abordadas neste estudo passam pelo i) uso de varões colados ii) uso de uma cavilha como sistema de ancoragem e iii) uso de uma chapa central. Os resultados obtidos são analisados e comparados com os obtidos recorrendo a modelos numéricos, sendo ainda analisada a aplicabilidade dos métodos preconizados no Eurocódigo 5.This study was carried out with the purpose of providing knowledge on grading processes, mechanical properties and connections applied to small diameter maritime pine roundwood, so this material could be effectively applied in structural applications. For that, two samples of maritime pine specimens, representative of the Central and Northern part of Portugal, were selected. The specimens were visually characterized according to the European standard EN 1310 and tested in bending and compression according to EN 14251. The bending and compression strengths, the modulus of elasticity parallel to the grain and the density of the logs were experimentally determined. The remaining mechanical properties were assessed according to EN 384. Studies are presented on the influence of features of wood (characteristics and defects) in the mechanical properties of the material. The use of the dynamic modulus of elasticity as a parameter for predicting strength is also assessed. Tools that allows the generation of virtual poles, based on the statistical distribution of selected visual and physical properties, and the estimation of their mechanical properties are of great help for predicting the quality of the roundwood that a forest stand can provide. To this end an algorithm, SIMPOLE (SIMulator of POLEs), was developed. This algorithm allows the generation of pole’s geometry, as well as the mechanical properties of clear wood and the distribution of knots along its length. This generation is made through statistical distributions. The generated poles are simulated, either according to standard EN 14251 or according to EN 14229, for testing with simple supported beam conditions or with cantilever beam conditions, respectively. The algorithm outputs are: the bending strength, the modulus of elasticity, the location, and cause of failure. The algorithm was used to estimate the mechanical properties of two samples of maritime pine poles. Based on the the results obtained the potencial of the SIMPOLE is discussed. The structural application of this type of elements depends strongly on the connections, since its design often determines the design of the whole structure. Hence, the viability and competitiveness of this type of structure are directly dependent on the mechanical performance of the connections. In this study, the mechanical behavior, failure load and stiffness of three connection configurations using maritime pine wood, following standard EN 26891, was investigated. The studied configurations are based on i) glued-in rods ii) dowel nut and iii) central plates. The obtained results are analyzed and compared with the ones obtained from numerical models, being also analyzed the applicability of the design rules from Eurocode 5.Fundação para a Ciência e Tecnologia que concedeu a Bolsa de Doutoramento SFRH/BD/44909/2008), comparticipada pelo Fundo Social Europeu e por fundos nacionais do MCTES; Fundação para a Ciência e Tecnologia pelo projecto PTDC/ECM/099833/2008, iniciativa QREN, financiado pela União Europeia por meio do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional, através do COMPETE – Programa Operacional Factores de Competitividad