Estudo das tensões de crescimento em toras de Eucalyptus grandis Hill. ex Maiden

Abstract

Resumo: As tensões de crescimento têm efeitos benéficos para as árvores vivas, constituindo-se entretanto em graves dificuldades para o processamento da madeira, quando cortes transversais e longitudinais, liberando estas tensões, provocam o aparecimento de empenamentos e rachas. Os estudos destas tensões foram conduzidos neste trabalho, utilizando cinco árvores de Eucalyptus grandis Hii. ex Maiden, provenientes de plantios localizados em Barra Velha - SC, e incluem: uma extensa análise da literatura existente sobre diversos assuntos correlatos; a determinação de propriedades físicas e mecânicas e de alguns caracteres gerais da madeira utilizada; e uma detalhada apreciação dos métodos empregados na determinação destas tensões, culminando com a proposição e fabricação de um equipamento apropriado às suas medições e à conseqüente determinação de suas magnitudes e distribuição no interior dos troncos. Com a finalidade de subsidiar futuros experimentos, este trabalho incluiu discussões de importantes parâmetros relacionados à determinação de deformações de crescimento, como: adequabilidade de amostras quanto às suas dimensões e intervalo de tempo necessário entre medições, visando possibilitar a recuperação de deformações elásticas e visco-elásticas. Os valores da densidade básica determinados, sendo maiores na madeira adulta do que na juvenil, confirmaram a existência de um gradiente crescente de variação no sentido medula-casca. Este mesmo gradiente, sendo observado para as propriedades de resistência da madeira, também confirmou a correlação direta existente entre estas e a densidade básica. Não foi evidenciada nenhuma tendência de variáção da densidade com a altura da árvore, ao longo da pequena extensão de comprimento considerada (2,32m). A arnostragem realizada para a determinação das densidades (verde, seca, saturada e básic) foi suficiente para garantir intervalos de confiança da média de até 5%, a um nível de confiança de 98%. Para as propriedades mecânicas, os valores obtidos em uma pré-amostragem apenas puderam ser considerados como indicativos de seus valores verdadeiros. A exemplo de procedimentos adotados internacionalmente, as tensões de crescimento foram medidas e analisadas baseando-se nas correspondentes deformações ocorrentes em função de suas liberações pelos cortes transversais e longitudinais efetuados quando do processamento da madeira, sendo expressas em unidades de microdeformação, ue (1ue = 10^(-6) mm/mm). As deformações de crescimento transversais foram medidas de forma similar à proposta por JACOBS (1945) e BOYD (1950a) e os valores obtidos confirmaram a existência de uma compressão tangencial periférica (1.726ue), bem como de um gradiente de tração radial crescente, a partir de um valor igual a zero, nas proximidades da camada cambial, até um valor máximo (2.345ue), nas proximidades da medula.O desempenho do aparelho fabricado para determinação das deformações de crescimento longitudinais foi considerado satisfatório, uma vez que o erro máximo possível de ter ocorrido (218) é bem inferior aos computados em outros experimentos similares. A magnitude média das deformações de crescimento longitudinais de compressão, ocorrentes próximas à medula (1.13 ue), situou-se na faixa central dos valores conhecidos para Eucalyptus spp., e a das deformações longitudinais de tração (390e) foi cerca de 45% inferior, devido às suas medições não terem sido realizadas exatamente junto à camada cambial. O gradiente de deformação de crescimento longitudinal passa do estado máximo de tração (na periferia) ao de compressão máxima (próxima à medula) apresentando uma configuração semelhante para as cinco árvores analisadas. Sua comparação com o modelo teórico de KUBLER (1959b) apresentou concordância em sua porção central. O ponto de transição do estado de compressão para o de tração ocorreu, em termos médios, a 61% do valor do raio, a partir da medula, comparando-se muito bem com a variação de 45 a 75% registrada para diferentes espécies de madeira. O aumento do comprimento de pranchas diametrais, decorrente de seus desdobros, conforme é mencionado na literatura, não foi confirmado em todos os resultados. As tensões de crescimento correspondentes às deformações determinadas, calculadas através da Lei de Hooke (o = eE), indicaram a possibilidade de ocorrerem deformações plásticas e até rupturas da madeira nas proximidades da medula (zona de compressão longitudinal), quando da árvore viva. Em função da análise do dados apresentados, maiores rendimentos qualitativos e quantitativos de madeira serrada deverão ser. obtidos utilizando-se o processo de desdobro de "cortes simultâneos". Entretanto, na indisponibilidade' de equipamentos de serras múltiplas, o desdobro de "cortes alternados" é indicado.

Abstract: Growth stresses have benefic effects to the standing trees, but they become a great problem for wood processing when the transversal and longitudinal cuts releasing these stresses cause serious degrade as it is shown by the splitting of logs and splitting and warping of the resulting sawn timber. The study of these stresses were conducted in this work using five trees of Eucalyptus grandis Hill. ex Maiden grown in Barra Velha - Santa Catarina State, Brazil. It mainly includes: an extensive literature review concerning the main subjects involved; the physical, mechanical and general characteristies determination of the wood utilised; and a critical analysis of the methods employed in growth stresses evaluation, in order to propose an appropriate device to their measurements and also to determine their magnitudes and distribution inside tree trunk. In order to support future investigation on the matter in Brazil, this work also includes discussions of important parameters related to growth stresses evaluation such as sample size and the time interval required to elastic and plastic growth strain recovery. The sapwood basic density values being greater than those found for the heartwood, support the well known existence of an increasing gradient from the pith to the bark. Also the sarne increasing variation rate observed for the wood strength properties confirms its direct relationship with the basic density property. No correlation was found between density and tree height inside the small range of length considered (2.32m). The sample size talcen for basic, dry, green and saturated densities determination was enough to have up to 5% accuracy range of the mean value at 98% confidence interval, but for the mechanical properties the values obtained in a random exploratory sampling could only be considered as indicative of their real values. Following the procedures adopted world-wide the growth stresses measurement were made and analysed based on the corresponding residual growth strains which the wood sample undertalces as the stress is released by transversal and longitudinal cuts, and they are expressed in units of microstrain, ue (1 ue = 1O^(-6) mm/mm). The transversal growth strains were measured through the similar procedure adopted by JACOBS (1945) and BOYD (1950a) and the obtained values corroborate the existence of a peripheral tangential compression (1,726 ue) as well as a radial tension gradient increasing from a zero value near the cambial layer up to a maximum value equal to 2,345IE near the pith. The measuring frame proposed for longitudinal growth strains evaluation performed well since the possible maximum error was below 21j.i. This value is smaiier than those accepted by similar experiments conducted elsewhere. The longitudinal compression growth strain mean determined (1,131 ue), which takes place near the pith, was around the average mean known for Eucalyptus spp. and the tension one (390 ue) was around 45% iower, once its measurement was not taken exactly near the cambial layer. The longitudinal growth strain gradient goes from a maximum tension state in the peripheral layer to the mentioned maximum compression near the pith. This sarne gradient shape was common for the five tree studied. Its comparison with KUBLER's (1959b) theoretical model showed agreement in the central part. The radial point of t.ransition from the compression tu tension state was located at 61 % of the ray iength, on average, departing from pith position. This agrees well with the range of 45 to 75% recorded forrn different species of timber. The diametricai planlc increase in length due to its sawing from the log, as it is recognised by the literature consulted, was not confirmed by ali the results obtained. The growth stresses corresponding to the measured growth strains were calculated by Hooke 's law (o = eE). They indicated that plastic strain or even wood rupture can happen near the pith (longitudinal compression zone) in the standing tree. Considering ali data presented, better qualitative and quantitative yields of sawn timber can be obtained if a "gang sawing process" is applied. In the case where a multiple saw equipment is not available the "sawing around the log process" is indicated.

RESUMO As tensões de crescimento têm efeitos benéficos para as árvores vivas, constituindo-se entretanto em graves dificuldades para o processamento da madeira, quando cortes transversais e longitudinais, liberando estas tensões, provocam o aparecimento de empenamentos e rachas. Os estudos destas tensões foram conduzidos neste trabalho, utilizando cinco árvores de Eucafyptus grandis Hill. ex Maiden, provenientes de plantios localizados em Barra Velha - SC, e incluem: uma extensa análise da literatura existente sobre diversos assuntos correlatos; a determinação de propriedades físicas e mecânicas e de alguns caracteres gerais da madeira utilizada; e uma detalhada apreciação dos métodos empregados na determinação destas tensões, culminando com a proposição e fabricação de um equipamento apropriado às suas medições e à conseqüente determinação de suas magnitudes e distribuição no interior dos troncos. Com a finalidade de subsidiar futuros experimentos, este trabalho incluiu discussões de importantes parâmetros relacionados à determinação de deformações de crescimento, como: adequabilidade de amostras quanto às suas dimensões e intervalo de tempo necessário entre medições, visando possibilitar a recuperação de deformações elásticas e visco-elásticas. Os valores da densidade básica determinados, sendo maiores na madeira adulta do que na juvenil, confirmaram a existência de um gradiente crescente de variação no sentido medula-casca. Este mesmo gradiente, sendo observado para as propriedades de resistência da madeira, também confirmou a correlação direta existente entre estas e a densidade básica. Não foi evidenciada nenhuma tendência de variação da densidade com a altura da árvore, ao longo da pequena extensão de comprimento considerada (2,32m). A amostragem realizada para a determinação das densidades (verde, seca, saturada e básica) foi suficiente para garantir intervalos de confiança da média de até 5 %, a um nível de confiança de 98 %. Para as propriedades mecânicas, os valores obtidos em uma pré-amostragem apenas puderam ser considerados como indicativos de seus valores verdadeiros. A exemplo de procedimentos adotados internacionalmente, as tensões de crescimento foram medidas e analisadas baseando-se nas correspondentes deformações ocorrentes em função de suas liberações pelos cortes transversais e longitudinais efetuados quando do processamento da madeira, sendo expressas em unidades de microdeformação, fie (1 fie = 10 mm/mm). As deformações de crescimento transversais foram medidas de forma similar à proposta por JACOBS (1945) e BOYD (1950a) e os valores obtidos confirmaram a existência de uma compressão tangencial periférica (1.726/xe), bem como de um gradiente de tração radial crescente, a partir de um valor igual a zero, nas proximidades da camada cambial, até um valor máximo (2.345/xe), nas proximidades da medida. O desempenho do aparelho fabricado para determinação das deformações de crescimento longitudinais foi considerado satisfatório, uma vez que o erro máximo possível de ter ocorrido (21/ifi) é bem inferior aos computados em outros experimentos similares. A magnitude média das deformações de crescimento longitudinais de compressão, ocorrentes próximas à medula (1.131jí£), situou-se na faixa central dos valores conhecidos para Eucafyptus spp., e a das deformações longitudinais de tração (390fie) foi cerca de 45% inferior, devido às suas medições não terem sido realizadas exatamente junto à camada cambial. O gradiente de deformação de crescimento longitudinal passa do estado máximo de tração (na periferia) ao de compressão máxima (próxima à medula) apresentando uma configuração semelhante para as cinco árvores analisadas. Sua comparação com o modelo teórico de KUBLER (1959b) apresentou concordância em sua porção central. O ponto de transição do estado de compressão para o de tração ocorreu, em termos médios, a 61 % do valor do raio, a partir da medula, comparando-se muito bem com a variação de 45 a 75% registrada para diferentes espécies de madeira. O aumento do comprimento de pranchas diametrais, decorrente de seus desdobras, conforme é mencionado na literatura, não foi confirmado em todos os resultados. As tensões de crescimento correspondentes às deformações determinadas, calculadas através da Lei de Hooke (<r = eE), indicaram a possibilidade de ocorrerem deformações plásticas e até rupturas da madeira nas proximidades da medula (zona de compressão longitudinal), quando da árvore viva. Em função da análise do dados apresentados, maiores rendimentos qualitativos e quantitativos de madeira serrada deverão ser obtidos utilizando-se o processo de desdobro de "cortes simultâneos". Entretanto, na indisponibilidade de equipamentos de serras múltiplas, o desdobro de "cortes alternados" é indicado.

SUMMARY Growth stresses have benefic effects to the standing trees, but they become a great problem for wood processing when the transversal and longitudinal cuts releasing these stresses cause serious degrade as it is shown by the splitting of logs and splitting and warping of the resulting sawn timber. The study of these stresses were conducted in this work using five trees of Eucalyptus grandis Hill, ex Maiden grown in Barra Velha - Santa Catarina State, Brazil. It mainly includes: an extensive literature review concerning the main subjects involved; the physical, mechanical and general characteristics determination of the wood utilised; and a critical analysis of the methods employed in growth stresses evaluation, in order to propose an appropriate device to their measurements and also to determine their magnitudes and distribution inside tree trunk. In order to support future investigation on the matter in Brazil, this work also includes discussions of important parameters related to growth stresses evaluation such as sample size and the time interval required to elastic and plastic growth strain recovery. Hie sapwood basic density values being greater than those found for the heartwood, support the well known existence of an increasing gradient from the pith to the bark. Also the same increasing variation rate observed for the wood strength properties confirms its direct relationship with the basic density property. No correlation was found between density and tree height inside the small range of length considered (2.32m). The sample size taken for basic, dry, green and saturated densities determination was enough to have up to 5% accuracy range of the mean value at 98% confidence interval, but for the mechanical properties the values obtained in a random exploratory sampling could only be considered as indicative of their real values. Following the procedures adopted world-wide the growth stresses measurement were made and analysed based on the corresponding residual growth strains which the wood sample undertakes as the stress is released by transversal and longitudinal cuts, and they are expressed in units of microstrain, ne (1 \\z = 106 mm/mm). The transversal growth strains were measured through the similar procedure adopted by JACOBS (1945) and BOYD (1950a) and the obtained values corroborate the existence of a peripheral tangential compression (1,726 |ie) as well as a radial tension gradient increasing from a zero value near the cambial layer up to a maximum value equal to 2,345[ie near the pith. The measuring frame proposed for longitudinal growth strains evaluation performed well since the possible maximum error was below 21(ie. This value is smaller than those accepted by similar experiments conducted elsewhere. The longitudinal compression growth strain mean determined (l,131jie), which takes place near the pith, was around the average mean known for Eucalyptus spp. and the tension one (390|xe) was around 45% lower, once its measurement was not taken exactly near the cambial layer. The longitudinal growth strain gradient goes from a maximum tension state in the peripheral layer to the mentioned maximum compression near the pith. This same gradient shape was common for the five tree studied. Its comparison with KUBLER's (1959b) theoretical model showed agreement in the central part. The radial point of transition from the compression to tension state was located at 61% of the ray length, on average, departing from pith position. This agrees well with the range of 45 to 75% recorded form different species of timber. The diametrical plank increase in length due to its sawing from the log, as it is recognised by the literature consulted, was not confirmed by all the results obtained. The growth stresses corresponding to the measured growth strains were calculated by Hooke's law (a = e E). They indicated that plastic strain or even wood rupture can happen near the pith (longitudinal compression zone) in the standing tree. Considering all data presented, better qualitative and quantitative yields of sawn timber can be obtained if a "gang sawing process" is applied. In the case where a multiple saw equipment is not available the "sawing around the log process" is indicated.