Madeira laminada colada (MLC) da espécie Paricá

Madeira laminada colada (MLC) da espécie Paricá Diego Henrique de Almeida, Ricardo de Mello Scaliante e Laurenn Borges de Macedo, Universidade de São ...
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Madeira laminada colada (MLC) da espécie Paricá Diego Henrique de Almeida, Ricardo de Mello Scaliante e Laurenn Borges de Macedo, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia de Estruturas, São Carlos, SP. e-mail: [email protected] , [email protected] e [email protected] Alcebíades Negrão Macêdo, Universidade Federal do Pará, Centro Tecnológico, Belém, PA. e-mail: [email protected] Carlito Calil Junior, Professor Titular, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia de Estruturas, São Carlos, SP. e-mail: [email protected]

Resumo: Dentre os produtos engenheirados derivados da madeira podemos destacar a Madeira Laminada Colada (MLC), que é um conjunto de lamelas de madeira coladas umas sobre as outras por meio de adesivo estrutural que pode possuir dimensões de seção transversal e vários comprimentos. As propriedades físicas e mecânicas da MLC podem ser determinadas de acordo com documentos normativos internacionais, porém, no Brasil, ainda não há uma norma específica para este material. O objetivo deste trabalho é o estudo experimental de vigas estruturais de MLC utilizando lamelas da madeira de Paricá (Schizolobium amazonicum Herb), espécie proveniente da região amazônica, para determinação de suas propriedades de resistência e rigidez, resistência na linha de cola e comportamento em ensaios de delaminação. Também foram determinadas as propriedades mecânicas de lamelas com ligações longitudinais dentadas do tipo finger joint. Podemos concluir com este trabalho que a madeira de Paricá é uma boa alternativa para produção de MLC já que os valores das propriedades determinadas nesse trabalho foram boas quando comparados com propriedades de MLC construídas com outras combinações madeira – adesivo. Palavras-chave: adesivo, Paricá, lamela, emenda dentada. Glued-laminated timber species Paricá Abstract: Among wood derivate engineered products can highlight the glued-laminated (glulam), which are series of laminations glued one to the other through the adhesive with varied transversal sections and length. Physics and mechanical properties of glulam can be determined according international normative papers, but, in Brazil, there is no specific standard document yet for this material. The aim of this work is making glulam structural specimens using laminations of wood Paricá (Schizolobium amazonicum Herb), species from amazon region, for determining its strength and stiffness properties, glue line strength and behavior in delamination test. Also will be determined the laminations mechanical properties with longitudinal connections type finger joint. Finally, conclude with this work that Paricá wood presents as a good alternative in glulam making once the properties values determined in this work were good enough comparing with other properties of glulam made with other wood-adhesive combinations. Keywords: adhesive, Paricá, lamination,finger joint.

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1. Introdução Desde os primórdios o homem possui a necessidade de construir habitações e a madeira foi um dos primeiros materiais de construção utilizados dada a disponibilidade abundante e a facilidade de trabalhar esse material com materiais e ferramentas rudimentares. Com o passar dos tempos a madeira perdeu espaço na construção civil para outros materiais como o aço e o concreto e passou a ser utilizado como um componente estrutural complementar para construção de telhados somente. Porém, nos últimos anos com o apelo pela utilização de matérias que sejam corretos do ponto de vista ambiental em forte crescimento em todos os setores da economia, a madeira voltou a ser um dos principais produtos utilizados na construção de estruturas. Vários são os fatores que podem ser citados em relação ao incremento do emprego da madeira na construção civil. Bertolini (2011)(1), Morales (2002)(2) e Brito (2010)(3) relatam que esse aumento da utilização desse material está relacionado à maior tecnologia empregada em seu manejo na floresta e beneficiamento em serrarias e indústrias, à industrialização de estruturas de madeira utilizando tecnologias para construção rápida e leve, à utilização de espécies de reflorestamento como as exóticas dos gêneros Pinus e Eucalipto e as nativas Teca e Paricá, à utilização de agentes preservantes com maior qualidade, entre outros fatores. Para melhor utilização da madeira como material estrutural é o conhecimento de suas propriedades físicas e mecânicas, entre outras que permitam utilizar esse material de maneira racional, empregando-as de maneira correta nas edificações. Ultimamente, as pesquisas a fim de elucidar as propriedades da madeira estão aumentando, porém, ainda há muito a se descobrir, principalmente em relação às novas espécies que estão sendo reflorestadas no Brasil, tornando indispensável o conhecimento aprofundado de suas propriedades (MORALES, 2002(2); APRILANTI, 2010(4)). Uma das principais tecnologias na construção civil em madeiras é a utilização da Madeira Lamina Colada (MLC). A MLC é um produto engenheirado de madeira que consiste em lamelas (lâminas ou tábuas) coladas umas sobre as outras com adesivos sintéticos (CALIL NETO, 2011(5)). Essas lamelas são dispostas entre si de modo que suas fibras fiquem paralelas entre si (fig.1).

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Figura 1 – Esquema da formação de uma viga estrutural de MLC.FONTE: ZANGIÁCOMO, 2003 .

As lamelas podem ser dispostas perpendicularmente ou paralelamente ao carregamento da viga formando respectivamente as vigas laminadas horizontais ou verticais. Cada lâmina pode conter emendas longitudinais e transversais utilizadas para obter maiores comprimentos e larguras (fig.2) (APRILANTI, 2010(4)).

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Figura 2 – Esquema de formação de MLC com destaque às emendas transversais e longitudinais. (4) FONTE: APRILANTI, 2010 .

Segundo Macêdo e Calil Junior (1999)(7) várias são as configurações que podem ser citadas para serem utilizadas para emendas longitudinais, tais como: emendas de topo (butt joints), emendas biseladas (scarf joints) e emendas dentadas (finger joints) (fig. 3).

Figura 3 – Tipos de emendas utilizadas em ligações longitudinais em MLC. FONTE: MACÊDO e (7) CALIL JUNIOR, 1999 .

Aprilanti (2010)(4) cita alguns fatores que influenciam na resistência da MLC: massa específica da madeira; teor de umidade das lamelas; espessura e número de lamelas; classificação da madeira; nós e inclinação da grã; posição das emendas de topo; adesivos; pressão de colagem e cura do adesivo. Dentre os adesivos utilizados para colagem das lamelas e entre as emendas longitudinais e emendas verticais eles devem ser escolhidos de acordo com as condições climáticas de utilização da MLC. As classes de utilização são: I (uso interior); II (uso exterior coberta); III (uso exterior). Os principais adesivos utilizados na confecção da MLC são: fenolformaldeído, wonderbond, pliuretano de óleo de mamona e purbond (DIAS, 2006(8); CALIL NETO, 2011(5)). Calil Neto (2011)(5) trabalhando com diferentes espécies, adesivos e tratamentos preservantes da madeira alerta sobre o controle de qualidade na produção da MLC pelas indústrias ressaltando a importância desse controle em relação ao sucesso do emprego desse produto engenheirado de madeira. O objetivo do seguinte trabalho é confecção de vigas estruturais de MLC utilizando lamelas da madeira de Paricá (Schizolobium amazonicum Herb) para determinação de suas propriedades de resistência e rigidez e a resistência de linha de cola e sua integridade em ensaios de delaminação. Também serão montadas e ensaiadas lamelas com ligações longitudinais dentadas do tipo finger joint para determinação da resistência à tração da emenda dentada. 2. Materiais e Métodos

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Este trabalho foi realizado no Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeira (LaMEM) da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP) seguindo-se as especificações da norma ABNT NBR 7190: 1997 (9) e a norma americana AITC 190: 2007 (10). Sendo a madeira de Paricá (Schizolobium amazonicum Herb.), utilizada para este estudo, proveniente de plantação da região norte do país com 8 anos de idade. Essa espécie vem recebendo grande atenção porque possui rápido incremento em altura e diâmetro. A espécie apresenta em sua madeira o alburno e o cerne de cores creme-amarelado e marrom-claro, respectivamente (ALMEIDA et al., 2012 (11); MACEDO et al., 2012 (12)). 2.1. Confecção da MLC Para a confecção de três vigas de MLC foram selecionadas lamelas de Paricá com seção transversal nominal retangular de 3,5 cm de espessura, 10 cm de largura e 240 cm de comprimento, todas elas classificadas visualmente de acordo com a ABNT NBR 7190: 1997 como Classe Estrutural Especial (SE). Foram determinados os módulos de elasticidade das lamelas pelo método da vibração transversal (fig. 4) sendo que a viga de MLC foi confeccionada com a lamela de menor módulo de elasticidade no meio e as outras lamelas nas bordas formando uma viga de MLC de 3 lamelas.

Figura 4 – Ensaio de vibração transversal para determinação do módulo de elasticidade das lamelas de Paricá.

As lamelas foram coladas utilizando como adesivo o fenol-resorcinol (nome comercial CASCOPHEN RS-216-M) e deixado na prensa durante 6 horas para cura do mesmo e, consequentemente, colagem da MLC (fig. 5 e fig. 6).

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Figura 5 – Colagem das lamelas e montagem da MLC de Paricá.

Figura 6 – Prensagem da MLC para colagem das lamelas e cura do adesivo.

Após serem retiradas da prensa, as vigas de MLC tiveram suas dimensões condicionadas na serra-circular para destopo e na desengrossadeira para regularização de suas faces laterais. 2.2. Determinação dos Módulos de Elasticidade (MOE) e Módulos de Ruptura (MOR) As madeiras laminadas coladas foram solicitadas à flexão estática aplicando-se a carga no meio do vão da viga (fig. 7). Para a determinação do MOE utilizou-se um relógio comparador com precisão de 0,01 mm.

Figura 7 – Ensaio de flexão da viga de MLC.

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As dimensões da seção transversal da viga foram medidas utilizando um paquímetro de precisão 0,01 mm e o comprimento com um metro. A flecha máxima (fmáx) estimada com aplicação da carga, ainda no regime elástico de deformação, foi determinada pela relação L/300, onde L é o vão entre os apoios da madeira. Dessa maneira, utilizando-se um vão igual a 2,3 m determinou-se uma flecha máxima igual a 7,6 mm. O módulo de elasticidade das vigas de MLC foi determinado através da Eq 1. (1) , onde:

MOE = módulo de elasticidade da MLC (MPa); P = carga aplicada no meio do vão (N); fmáx = flecha decorrente da aplicação da carga (mm); I = momento de inércia da viga (mm4). O módulo de resistência das vigas foi determinado através da carga de ruptura da viga de MLC utilizando a Eq 2. (2) , onde:

MOR = módulo de resistência à flexão estática (MPa); M = máximo momento aplicado às vigas (N.mm); W = módulo de resistência elástico (mm³). 2.3. Cisalhamento na linha de cola A partir das vigas rompidas de MLC foram confeccionados os corpos-de-prova para realização dos ensaios para determinação da resistência ao cisalhamento na linha de cola. Foram confeccionados 12 corpos-de-prova, sendo metade deles ensaiados no teor de umidade ambiente e a outra metade dos corpos-de-prova deixados saturando em água destilada para serem ensaiados após 48 horas. Os corpos-de-prova foram medidos com um paquímetro com precisão 0,01 mm e foram solicitados até a ruptura na máquina universal de ensaios AMSLER (fig. 8). A resistência ao cisalhamento na linha de cola pode ser calculada pela Eq. 3. (3) , onde:

fv0 = resistência ao cisalhamento na linha de cola (MPa); Fv = máxima carga cisalhante aplicada ao corpo-de-prova (N); Av = área resistente ao cisalhamento na linha de cola (mm²).

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Figura 8 – Corpo-de-prova para o ensaio de resistência à linha de cola.

2.4. Ensaio de delaminação O ensaio de delaminação foi realizado de acordo com a norma americana AITC 190: 2007(10), que consiste na retirada de corpos-de-prova com 10 cm de comprimento, não levando em consideração suas dimensões em relação à seção transversal da viga. Os corpos-de-prova foram submetidos ao vácuo durante duas horas e depois pressão de 0,54 MPa com água por mais duas horas em uma câmara de pressão e vácuo (fig. 9). Foram realizados dois ciclos de vácuo/pressão, e após o segundo ciclo, os corpos-de-prova ficaram por três dias ao ar livre. Esses ciclos se repetiram por mais duas vezes, até poder ser realizada a análise visual dos corpos-de-prova para inspeção das linhas de cola.

Figura 9 – Corpos-de-prova na auto-clave para realização do ensaio de delaminação.

2.5. Ensaio de resistência de ligações dentadas Seis lamelas de seção transversal nominal 10 cm x 3,5 cm, foram cortadas ao meio, com o objetivo de avaliar a resistência da ligação dentada do tipo finger joint. Foram confeccionados “fingers” de 21 mm de comprimento de dente, unidos com adesivo fenolresorcinol (CASCOPHEN RS-216-M) e submetidos a uma força axial de 2180 N por 5 minutos, a fim de unir as peças (fig. 10). As peças coladas foram mantidas em repouso por 48 horas para a cura do adesivo. Posteriormente, as mesmas foram solicitadas à tração paralela às fibras na máquina de ensaio de peças estruturais METRIGUARD, para determinação da resistência da ligação

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dentada à tração paralela às fibras. A resistência à tração das emendas paralela às fibras foi calculada pela Eq. 4. (4) , onde:

fgt = resistência à tração das emendas paralela às fibras (MPa); Fgt = máxima carga de tração aplicada ao corpo-de-prova (N); Av = área resistente à tração na emenda (mm²).

Figura 10 – Detalhe da ligação dentada do tipo finger joint.

3. Resultados e Discussões 3.1. Módulo de Elasticidade e Módulo de Ruptura Os valores dos módulos de ruptura e de elasticidade das vigas estruturais em MLC foram determinados após os ensaios utilizando a Eq. 1 e a Eq. 2 e seus valores são apresentados na tab. 1.

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Tabela 1 – Valores dos módulos de elasticidade e de ruptura das vigas de MLC Viga MOR (MPa) MOE (MPa) 1 39 8146 2 40 8943 3 45 9337 Média 41 8809 Miotto (2009)(13) confeccionou vigas de MLC com Lyptus e adesivo wonderbond com 540 cm de comprimento e determinou valores médios par aos módulos de elasticidade e de ruptura iguais a 21597 MPa e 62 MPa, respectivamente. Teles et al. (2010)(14) trabalhando com madeira de Louro-vermelho (Sextonia rubra) e com adesivo resorcinol-formaldeído determinou valores médios de módulos de ruptura e de elasticidade iguais a 65 MPa e 15830 MPa, respectivamente. Cunha e Matos (2011)(15) confeccionaram vigas estruturais de MLC com a madeira da espécie Pinus taeda utilizando para colagem das lamelas o adesivo melamina ureia formaldeído com catalisador (MUF 1242/ 254) e determinou valores médios de módulo de elasticidade e módulo de ruptura iguais a 7932 MPa e 28 MPa, respectivamente. Os valores médios encontrados nesse trabalho foram inferiores aos determinados para o Lyptus e para o Louro-Vermelho, isso deve-se aos tipos de adesivos diferentes utilizados e também à densidade das espécies que são muito diferentes apesar de todas as madeiras serem de árvores dicotiledôneas. Em relação ao MLC construído com Pinus taeda, o MLC confeccionado com Paricá obteve valores de propriedades mecânicas superiores e isso também pode ser devido ao adesivo utilizado e às propriedades mecânicas específicas de cada espécie de madeira. Segundo Zangiácomo (2003)(6) a disposição das lamelas ao longo da altura da seção transversal da viga de MLC possui influencia direta nas nas propriedades de rigidez dessa viga. Vigas com distribuição não aleatória podem apresentar propriedades de rigidez superiores em relação aquelas vigas montadas com distribuição aleatória. 3.2. Cisalhamento na linha de cola Os valores de resistência ao cisalhamento na linha de cola dos corpos-de-prova provenientes das vigas de MLC de Paricá nas condições de umidade seca e saturada são apresentadas na tab. 2. Tabela 2 – Resistência ao cisalhamento na linha de cola fv0 (MPa) Corpo-de-prova Saturado Seco 1 3,70 4,80 2 4,20 4,30 3 4,30 5,00 4 3,50 5,00 5 3,30 4,20 6 3,90 5,20 Média 3,80 4,75 O valor médio encontrado para a resistência na linha de cola dos corpos-de-prova saturados foram inferiores em relação aos corpos-de-prova secos, isso confirma que o teor de umidade influencia as propriedades mecânicas da madeira e de seus derivados (LOGSDON e CALIL JUNIOR, 2002(16)). Todos os corpos-de-prova, tanto secos quanto saturados, romperam na madeira e não na linha de cola como se espera que seja, já que a ligação deve ser mais resistente que a madeira.

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Calil Neto (2011) (5) determinou valores médios iguais a 5,60 MPa, 6,80 MPa, 4,10 MPa para as espécies Pinus taeda, Teca (Tectona grandis) e Lyptus, respectivamente, para a resistência ao cisalhamento na linha de cola de corpos-de-prova secos utilizando adesivo CASCOPHEN RS-216-M. Utilizando o mesmo adesivo mas para corpos-de-prova saturados, os valores médios de resistência na linha de cola para o Pinus taeda, Teca e Lyptus foram, respectivamente, iguais a 4,10 MPa, 6,10 MPa e 2,00 MPa. Os valores determinados para o Paricá nesse trabalho foram inferiores a condição saturada em relação às espécies estudadas por Calil Neto (2011) (5), porém, na condição de umidade seca, a resistência na linha de cola para corpos-de-prova de Paricá foi inferior somente quando comparada à madeira de Teca. 3.3. Ensaio de delaminação Após os procedimentos realizados, não houve alterações que comprometessem a integridade na interface entre a linha de cola e as lamelas de Paricá, conforme se pode observar na fig. 11.

Figura 11 – Corpos-de-prova após realização do ensaio de delaminação sem descolamento das linhas de cola.

Calil Neto (2011) (5) obteve resultados de delaminação iguais a 0,6% para o Pinus taeda, 2,2 % para a Teca e 38,6% para o Lyptus utilizando como adesivo o CASCOPHEN RS-216-M. Isso pode estar relacionado à maior porosidade da madeira de Paricá, por esse motivo, proporciona maior aderência entre o adesivo utilizado e a madeira. 3.4. Ensaio de resistência de ligações dentadas O valor médio e também os valores de resistência das ligações dentadas do tipo finger joint em cada uma das lamelas ensaiadas são apresentados na tab. 3.

Tabela 3 – Resistência da ligação dentada do tipo finger joint Corpo-de-prova fgt(MPa) 1 12

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2 3 4 5 6

12 14 22 15 7

Média

14

Macedo e Calil Junior (1999)(7) trabalhando com madeiras de Pinus elliottii e Eucalyptus grandis e adesivo CASCOPHEN RS-216-M determinou valores de resistência em ligação dentada tipo finger jonit iguais a 39 MPa e 61 MPa, respectivamente, sendo superiores ao valor médio encontrado para o Paricá nesse trabalho. Isso pode estar devido à classe de resistência C 30 que se encontram o Pinus elliottii e o Eucalipto citriodora, já o Paricá está classificado como uma madeira C 20. 4. Conclusões Com os estudos realizados nesse trabalho, pôde-se concluir que: • A madeira proveniente do Paricá possui grande potencial para utilização na produção de MLC, pois possui boa aderência com o adesivo e, por ser uma madeira de baixa densidade, proporciona vigas de baixa relação peso resistência – peso específico; • As propriedades físicas e mecânicas da MLC confeccionadas no LaMEM foram satisfatórias quando comparadas com outras vigas de MLC com combinações madeira – adesivo diferentes; • Em relação às emendas dentadas a madeira de Paricá também obteve bons resultados e mostra com isso que vigas de comprimentos consideráveis de MLC podem ser construídas. 5. Referências (1) Bertolini, M. S. (2011). Emprego de resíduos de Pinus sp tratado com preservante CCB na produção de chapas de partículas homogêneas utilizando resina poliuretana à base de mamona São Carlos. 128 p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. (2) Morales, E. A. M. (2005). Determinação do módulo de elasticidade da madeira: proposta para simplificação de procedimentos metodológicos. São Carlos. 111 p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. (3) Brito, L. D. (2010). Recomendações para o projeto e construção de estruturas com peças roliças de madeira de reflorestamento. São Carlos. 338 p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. (4) Aprilanti, M. D. (2010). Influência de um corte na borda tracionada de uma viga maciça simulando uma emenda de topo na lâmina inferior de vigas laminadas coladas. Piracicaba. 108 p. Dissertação (Mestrado) - Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Universidade de São Paulo. (5) Calil Neto, C. (2011). Madeira laminada colada (MLC): controle de qualidade em combinações espécie – adesivo – tratamento químico. São Carlos. 120 p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. (6) Zangiácomo, A. L. (2003). Emprego de espécies tropicais alternativas na produção de elementos estruturais de madeira laminada colada. São Carlos. 102 p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.

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(7) Macêdo, A. N.; Calil Junior, C. (1999). Estudo de emendas dentadas em madeira laminada colada (MLC): avaliação de métodos de ensaio – NBR 7190/ 1997. Caderno de Engenharia de Estruturas, São Carlos - SP, n. 7, p.77-107. (8) Dias, A. A.; Azambuja, M.; Oliveira Junior, S. F. (2006). Análise estatística comparativa entre adesivos poliuretanos frente ao resorcinol-formaldeído aplicados em emenda dentada estrutural para a espécies Eucalyptus grandis. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 17, Foz do Iguaçu, 2006. Anais. Paraná, ABM, CD-ROM. (9) Associação Brasileira de Normas Técnicas (1997). NBR 7190 – Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro. 107p. (10) American Institute of Timber Construction (2007). AITC 190 – Structural glued laminated timber. Colorado. 20p. (11) Almeida, D. H.; Macedo, L. B.; Scaliante, R. M.; Macêdo, A. N.; Calil Junior, C. Dias, A. A. (2012). Caracterização das propriedades físicas e mecânicas da madeira de Paricá. In: SIMPÓSIO EM CIÊNCIA E EGENHARIA DE MATERIAIS, 15, São Carlos, 2012. Anais. São Paulo, ICEM, CD-ROM. (12) Macedo, L. B.; Almeida, D. H.; Scaliante, R. M.; Varanda, L. D.; Calil Junior, C. (2012). Caracterização de algumas propriedades físicas da madeira de Paricá. In: CONGRESSO DE ENGENHARIAS, 2, São João del Rei, 2012. Anais. Minas Gerais, UFSJ, CD-ROM. (13) Miotto, J. L. (2009). Estruturas mistas de madeira-concreto: avaliação das vigas de madeira laminada colada reforçadas com fibra de vidro. São Carlos. 356 p. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. (14) Teles, R. F.; Del Menezzi, C. H. S.; Souza, M. R.; Souza, F. (2010). Effect of nondestructive testing of laminations on the bending properties of glulam beams made from Louro-vermelho (Sextonia rubra). Cerne, Lavras – MG, v.16, n.1, p. 77 - 85. (15) Cunha, A. B.; Matos, J. L. M (2011). Estimativa do módulo de elasticidade em vigas laminadas coladas pelos métodos estático e dinâmico. Floresta, Curitiba – PR, v.41, n.1, p. 97 - 112. (16) Logsdon, N. B.; Calil Junior, C. (2002). Influência da umidade nas propriedades de resistência e rigidez da madeira. Caderno de engenharia de estruturas, São Carlos - SP, p.77-107. 6. Agradecimentos A equipe agradece ao Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeiras (LaMEM) do Departamento de Estruturas (SET) da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP).

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