Elementos finitos como método de análise da concentração e distribuição de tensões em emendas de madeira finger joint

Abstract

Resumo: Dentre os diversos aspectos envolvendo as emendas finger joint, a pressão de colagem se destaca por estar relacionada aos demais fatores e, também, por provocar tensões ao longo dos entalhes. A partir disto, o objetivo desta pesquisa foi simular a distribuição de tensões ao longo de emendas finger joint causada pela pressão de colagem, bem como avaliar o desempenho tecnológico destas emendas e da madeira sólida de Eucalyptus grandis. Inicialmente, foram verificadas as propriedades: densidade básica (ASTM D 2395-17), anisotropia de contração e inchamento (ASTM D 143-00) e resistências à compressão e tração paralelas às fibras da madeira maciça (ASTM D 4761-19). Também, foi avaliada a resistência à tração paralela às fibras das peças com emendas finger joint (ASTM D 4688-14). Para o cálculo do Módulo de Elasticidade (E) foi utilizada a ferramenta DIC (Digital Image Correlation), com a qual se obtém o deslocamento de cada amostra durante o ensaio mecânico e, então, calcula-se a deformação. Finalmente, o Método dos Elementos finitos foi empregado de forma a simular a pressão de colagem para verificação da distribuição das tensões ao longo dos entalhes. Como resultado, a densidade básica encontrada foi de 0,497 g/cm³. O desempenho médio das amostras nos testes de compressão paralela foi de 53,06 MPa, semelhante ao normalmente encontrado na literatura. O valor característico calculado foi de 46,84 MPa. Diferentemente, a resistência à tração paralela às fibras apresentou ótimo comportamento (118,50 MPa) em relação ao que normalmente é obtido para esta espécie. Os resultados das solicitações mecânicas indicaram que a madeira utilizada pode ser empregada para fins estruturais considerando-a na classe C40 (NBR 7190-97). A simulação com o Método dos Elementos Finitos demonstrou como ocorre a distribuição de tensões ao longo dos entalhes durante a pressão de colagem, apontando pontos mais concentrados na base e seus entornos. A ferramenta foi capaz de simular adequadamente o modelo definido, evidenciando as muitas possibilidades que a ferramenta oferece, sendo adequada para analisar diferentes produtos e materiais.

Abstract: Among the various aspects involving finger joints, end pressure stands out for being related to other factors and also for causing tensions along the notches. Therefore, the aim of this research was to simulate the stress distribution of finger joints caused by end pressure. In addition, to evaluate the physical and mechanical performance of the joints and Eucalyptus grandis wood. Initially, the following properties were analyzed: basic density (ASTM D 2395-17), shrinkage (ASTM D 143-00), tension and compression parallel to the grain of the solid timber (ASTM D 4761-19), and tension parallel to the grain of finger joints (ASTM D 4688-14). DIC (Digital Image Correlation) was employed to calculate the Modulus of Elasticity (E), with which the displacement was obtained during the tests and used to strain calculation. Finally, Finite Element Method was applied to simulate end pressure in order to verify the stress distribution in finger joints. As a result, basic density was 0.497 g/cm³. For the compression parallel to the grain tests, the average performance of the specimen was 53.06 MPa, similar to those regularly found in the literature. The characteristic value was 46,84 MPa. Atypically, tensile strength parallel to the fibers showed an optimal behavior (118.50 MPa) compared to results normally reached for this specie. The mechanical tension results indicated that this wood can be employed for structural purposes, considering it in C40 class (NBR 7190-97). The finite element method simulation demonstrated how stresses are distributed in the finger joints during end pressure, identifying major concentrated points in the base and its surroundings. FEM tool was able to adequately simulate the model, highlighting the many possibilities that the tool offers, being suitable for analyzing different contexts, products and materials.