ESTRUTURA DE MADEIRA

PASSANDO PELO TESTE DE FOGO

PRINCIPAIS PARÂMETROS TÉCNICOS SOBRE INCÊNDIOS EM ESTRUTURAS CONSTRUÍDAS EM MADEIRA ENGENHEIRADA, UM TEMA QUE TEM GERADO INÚMERAS PESQUISAS, NORMAS E CÓDIGOS INTERNACIONAIS COM A CONCLUSÃO DE QUE, SE BEM PROJETADAS E EXECUTADAS, ATENDEM AOS MESMOS REQUISITOS DE SEGURANÇA DO CONCRETO E DO AÇO

POR MAURIZIO VAIRO * VALDIR PIGNATTA SILVA ** FELIPE HIDEYOSHI ICIMOTO ***

VALDIR PIGNATTA SILVA MAURIZIO VAIRO

FELIPE HIDEYOSHI ICIMOTO

(*) Mestrando em Engenharia de Estruturas pela Escola Politécnica da USP e coordenador de projetos de engenharia na Amata Urbem. (**) Professor doutor da Escola Politécnica da USP. (***) Pós-doutorado em Engenharia de Estruturas pela Escola de Engenharia de São Carlos e engenheiro de pesquisa e desenvolvimento na Amata Urbem.

1. INTRODUÇÃO

Edificações construídas com estruturas de madeira são amplamente utilizadas desde a época pré-histórica. Até meados do século XIX, a maioria das construções utilizava madeira e pedra em suas estruturas [1]. Alguns países da Europa, como por exemplo a Áustria, a Alemanha e a Suécia, mantiveram a tradição em construções de madeira, mesmo após o surgimento do aço e do concreto armado. Na América do Norte, países como o Canadá e os Estados Unidos constroem a maioria das residências unifamiliares utilizando o sistema construtivo conhecido como wood frame [2]. Nesse tipo de construção, as lajes e paredes são produzidas a partir da união entre peças de madeira serrada e painéis de OSB (Oriented Strand Board), originando estruturas leves e de rápida instalação. Outro sistema construtivo utilizado em larga escala nos países da Europa e da América do Norte é conhecido como construção em madeira massiva (Mass Timber Construction). Nesse sistema, são utilizados produtos de madeira massiva tais como a Madeira Lamelada Colada (MLC), o Laminated Veneer Lumber (LVL), o Cross Laminated Timber (CLT), o Nail Laminated Timber (NLT), entre outros. Em comum, todos os produtos são fabricados a partir da união entre lâminas (de 1 mm a 4 mm) ou lamelas (de 10 mm a 50 mm) de madeira por meio da colagem sob pressão ou por meio de conectores metálicos, originando elementos estruturais de grandes dimensões. Isso permite a utilização de estruturas de madeira em construções de maior complexidade, em que a engenharia de estruturas demanda peças capazes de vencer grandes vãos e carregamentos. Os produtos de madeira massiva, em sua grande maioria, são utilizados na construção civil há mais de um século. Os elementos estruturais de MLC, por exemplo, datam do início do século XX. Já o LVL é produzido desde meados da década de 1950, conforme pode ser observado na Figura 1. O CLT por sua vez, tem origem na década de 1990. O produto foi desenvolvido por empresas europeias do setor madeireiro em conjunto com a comunidade cientifica de universidades da Áustria e da Alemanha [4]. Recentemente, o produto foi traduzido para o português como Madeira Lamelada Colada Cruzada (MLCC). O CLT é um elemento sólido de madeira para uso estrutural, comumente utilizado nas funções de lajes e de paredes. As peças são fabricadas a partir da colagem sob

pressão de lamelas de madeira de coníferas posicionadas em camadas perpendiculares entre si. Os painéis possuem ao menos três camadas adjacentes e usualmente são produzidos com largura máxima de 2,9 m por 16,0 m de comprimento, conforme ilustrado pela Figura 2. A espessura total varia entre 5,7 e 35,0 cm [5]. O CLT possui características que o diferencia de outros painéis pré-fabricados de uso estrutural, tais como as lajes alveolares de concreto. Dentre elas, pode-se destacar a alta relação entre capacidade resistente e peso próprio, o alto desempenho térmico e acústico, o baixo peso próprio, além de ser um produto fabricado a partir de matéria prima renovável [4]. Tais características viabilizaram, a partir do início dos anos 2000, uma revolução na construção de edifícios altos utilizando estruturas de madeira. Uma das primeiras construções altas utilizando o CLT foi concluída em 2008. Trata-se do edifício de nove andares Murray Grove, situado na Inglaterra [6]. Em 2012, é construído o edifício de dez pavimentos conhecido como Forté (Figura 3), erguido na cidade de Melbourne, Austrália [7]. Em 2017, foi finalizada a construção do primeiro edifício com mais de 60 m de altura. A torre de dezoito pavimentos, conhecida como Brock Commons, foi erguida na cidade de Vancouver, Canadá [8]. Durante dois anos foi a edificação em madeira engenheirada mais alta do mundo, sendo superada em 2019 pela torre norueguesa Mjøstårnet, com altura aproximada de 85 m [6]. A tendência observada na Europa e na América do Norte também pode ser notada na América do Sul. No Brasil, uma das primeiras edificações em altura utilizando painéis de CLT foi concluída em 2020 (Figura 4). Localizada na cidade de São Paulo, a construção possui uma área de 1500 m² distribuídos em quatro pavimentos. No total, foram utilizadas 120 placas de CLT, divididas entre lajes e paredes do edifício, somando um volume de 145 m³ do produto de madeira massiva. Tendo em vista o crescimento do uso da madeira massiva em edificações altas e cada vez mais complexas, a sociedade tem se questionado acerca da segurança de tais estruturas em situação de incêndio. O texto a seguir apresentará os principais aspectos relacionados à segurança das estruturas de madeira em situação de incêndio.

FIG. 1 – LINHA DO TEMPO DOS PRODUTOS DE MADEIRA ENGENHEIRADA (FONTE: ADAPTADA DE [3])

FIG. 2 – IÇAMENTO DE UMA LAJE DE CLT. (FONTE: AMATA BRASIL)

FIG. 3 – EDIFÍCIO FORTÉ, MELBOURNE. (FONTE: AMATA BRASIL)

2. MADEIRA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Quando a madeira é submetida a altas temperaturas, as ligações de suas moléculas orgânicas se rompem, iniciando o processo de degradação térmica. Por se tratar de um material combustível, enquanto a madeira se degrada, são liberados gases voláteis e calor. Como resíduo desse processo, é formada uma camada de carvão na superfície da madeira exposta ao fogo. A capa carbonizada viabiliza em grande parte a segurança das estruturas de madeira em situação de incêndio. Isso porque o carvão possui propriedades que garantem o isolamento térmico do interior da peça de madeira ainda não degradado, mantendo íntegra uma grande parcela da seção transversal da peça. Como resultado desse processo, observa-se que, a partir da formação da superfície carbonizada, a taxa de queima medida em g/s, possui um comportamento linear e constante ao longo do tempo, conforme ilustrado pela Figura 6. Com o intuito de simplificar a análise das estruturas de madeira em situação de incêndio, o Eurocode 5 [10] sugere a utilização de outra grandeza, conhecida como taxa de carbonização β0, medida em mm/min.

A constante β0 relaciona o aumento da camada de carvão com o tempo de exposição do elemento estrutural a elevadas

temperaturas. Dessa maneira, conhecidos o tempo t de fogo e o valor da constante de carbonização, é possível calcular a seção residual da peça de madeira após o incêndio. As moléculas que compõem a madeira possuem diferentes temperaturas de deterioração, que variam de 200 a 500 ºC [9]. Entretanto, considerando a microestrutura molecular da maioria das coníferas utilizadas na construção civil, o Eurocode 5 [10] adota a isoterma de 300 ºC como valor de referência para o início da carbonização da madeira. O processo de degradação térmica evolui a partir do surgimento de fissuras na camada de carvão. Com o aumento das aberturas, o interior da madeira, anteriormente protegido, passa a ser consumido, liberando gases voláteis e formando uma nova camada carbonizada. Enquanto a madeira permanecer próxima a uma fonte de calor constante, o processo se repete até o consumo total do elemento estrutural. A Figura 7 ilustra esse fenômeno.

O Eurocode 5 [10] nomeia de método da seção transversal reduzida o processo simplificado para determinação da seção remanescente de madeira após um incêndio. O processo de cálculo segue a Equação 1:

(1)

Sendo: def a espessura de madeira degradada, β0 a taxa de carbonização, t o tempo de incêndio, k0 o coeficiente que leva em consideração a duração do incêndio e d0 espessura da camada onde é assumido que a resistência e a rigidez da madeira são nulas. As taxas de carbonização podem ser extraídas de tabelas do Eurocode 5 [10], entretanto, comumente adota-se o valor padrão de 0,65 mm/min para madeiras de coníferas. A partir da Equação 1, observa-se que, além da redução de seção transversal ocasionada pela carbonização do material, também deve ser levada em consideração a diminuição da resistência e da rigidez da madeira para temperaturas entre 60 e 300 °C. O Eurocode 5 [10] apresenta a perda de resistência e de rigidez de madeira em forma gráfica, conforme ilustrado pelas Figuras 8 e 9: O método da seção reduzida contempla esse aspecto do problema, ao subtrair da seção transversal residual um valor adicional, denominado de camada

FIG. 4 – EDIFÍCIO EM CLT, SÃO PAULO. (FONTE: CONSTRUTORA PEDRA FORTE)

FIG. 5 – PAINEL DE CLT APÓS ENSAIO DE INCÊNDIO. (FONTE: AMATA BRASIL)

FIG. 6 – TAXA DE QUEIMA DA MADEIRA. (FONTE: ADAPTADA DE [9])

de resistência nula. Para um tempo de exposição ao fogo superior a 20 minutos, essa camada possui uma espessura constante de 7 mm. A Figura 10 ilustra o método completo. A norma europeia também permite o uso do método da seção reduzida para estruturas de madeira revestidas com materiais contrafogo, tais como chapas de gesso acartonado e capas de sacrifício de madeira não estrutural. Para tanto, devem ser observadas as seguintes questões: a) o tempo de início da carbonização da madeira (tch) é retardado de acordo com o revestimento; b) a carbonização é iniciada antes da falha do revestimento, no entanto a uma taxa β reduzida; c) após a falha do revestimento, a carbonização ocorre a uma taxa β superior à tabelada, usualmente adota-se o dobro do valor; d) após 25 mm de queima, a taxa de carbonização retorna ao padrão tabelado. O principal motivo para o aumento da taxa de carbonização observado após a falha do revestimento contrafogo é que,

FIG. 8 – REDUÇÃO DA RESISTÊNCIA. (FONTE: ADAPTADA DE [10]) FIG. 9 – REDUÇÃO DA RIGIDEZ. (FONTE: ADAPTADA DE [10])

a partir desse instante, a madeira, que estava isolada termicamente, passa a combater uma temperatura elevada sem nenhuma camada protetora de carvão [11]. A Figura 11 representa de maneira gráfica as considerações descritas anteriormente.

3. MADEIRA MASSIVA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

De maneira geral, os produtos de madeira massiva possuem comportamento semelhante ao apresentado por peças de madeira maciça em situação de incêndio. Ou seja, as regras de cálculo apresentadas no capítulo anterior também podem ser adotadas para os produtos engenheirados. É importante destacar, entretanto, que o adesivo estrutural utilizado para a fabricação de determinados produtos de madeira massiva pode alterar o comportamento do elemento estrutural em situação de incêndio. Isso ocorre pois existem adesivos que perdem sua integridade em temperaturas altas. Um exemplo disso ocorre com painéis de CLT fabricados com adesivos de poliuretano (PUR) de primeira geração. Pesquisas realizadas na Europa [11] concluíram que existe a possibilidade da camada carbonizada de madeira delaminar antes de ser totalmente consumida. Quando o adesivo estrutural atinge temperaturas na ordem dos 200 °C [12] e [13], a camada de carvão desplaca do painel, deixando a lamela adjacente desprotegida. Observa-se, portanto, o mesmo efeito ocorrido em elementos de madeira revestidos por materiais contrafogo, com a lamela desprotegida sendo consumida no dobro da velocidade de carbonização regular. A Figura 12 compara a carbonização entre painéis de CLT fabricados utilizando adesivos resistentes ao fogo e painéis colados com adesivos não resistentes. É importante destacar que, diferentemente do que ocorre com os painéis de CLT, o uso de adesivos não resistentes ao fogo para a produção de elementos estruturais de MLC pouco interfere no comportamento do produto em situação de incêndio [15]. Isso ocorre pois o gradiente de temperaturas típico de peças de MLC indica grande parte da seção transversal residual com temperaturas inferiores a 200 °C.

4. LIGAÇÕES METÁLICAS Nos edifícios de madeira massiva, a maioria das ligações entre elementos estruturais utiliza conectores de aço ou de alumínio. As ligações usualmente são compostas por chapas, cavilhas, pinos, anéis, parafusos passantes com porcas e anilhas, parafusos de rosca soberba, entre outros. Em situação de incêndio, o ponto crítico das estruturas de madeira tende a

FIG. 10 – MÉTODO DA SEÇÃO REDUZIDA. (FONTE: ADAPTADA DE [10]) ser a ligação entre elementos (Figura 13). As ligações podem ser divididas em dois grupos, sendo: Ligações expostas diretamente ao fogo, sem revestimentos contrafogo. Ligações protegidas com revestimento contrafogo. Em linhas gerais, o grupo de ligações expostas diretamente ao fogo possui a capacidade de resistir a um incêndio-padrão de no máximo 30 minutos [16]. Para viabilizar o uso de ligações sem revestimento, o projetista de estruturas deve seguir uma série de regras esta-

FIG. 11 – TAXA DE CARBONIZAÇÃO DE MADEIRA. (FONTE: ADAPTADA DE [10])

FIG. 12 – MODELOS DE CARBONIZAÇÃO LINEAR E BILINEAR. (FONTE: ADAPTADA DE [14])

belecidas pelo Eurocode 5 [10] relacionadas às dimensões mínimas das peças e quantidades de conectores. Em contrapartida, as ligações com materiais de revestimento contrafogo possuem a capacidade de resistir a qualquer tempo de incêndio. Para tanto, o projeto de ligações deve ser detalhado de modo a preservar a funcionalidade do material de revestimento durante o tempo de resistência ao fogo para o qual o revestimento foi projetado. O International Building Code (IBC) [17], em sua última versão, apresenta algumas soluções típicas, tal como a proteção dos pinos metálicos por meio de cavilhas de madeira, conforme ilustrado pela Figura 14

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Construir edificações com estruturas de madeira tem se tornado uma tendência mundial. O uso exponencial de construções em madeira massiva é fundamentado especialmente em dois aspectos: o primeiro é a necessidade de aumentar a produtividade das obras por meio da adoção elementos pré-fabricados, substituindo a construção pela montagem em canteiro. O segundo ponto está associado à preferência ao uso de produtos de matéria-prima renovável e capazes de armazenar gás carbônico, contribuindo para construções de edifícios que emitam menos CO2. Existe uma expectativa de que o Brasil acompanhe a tendência das construções em altura utilizando madeira engenheirada, especialmente por se tratar de um país que possui extensas áreas de reflorestamento. O assunto incêndio em estruturas de madeira tem sido tema de inúmeras pesquisas, normas e códigos de obras internacionais. Tem-se concluído que as edificações de madeira, quando bem projetadas, detalhadas e executadas, atendem aos mesmos requisitos de segurança contra incêndio de estruturas de concreto ou de aço.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] PFEIL, W.; PFEIL, M. Estruturas de Madeira. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2003. [2] AMERICAN FOREST & PAPER ASSOCIATION. American Wood Council. Details for conventional wood frame construction. Washington D.C., 2001. 52 p. [3] THE SWEDISH FOREST INDUSTRIES FEDERATION. Swedish Wood. Design of timber structures – Structural aspects of timber structures. Estocolmo, 2016. 315 p. [4] THE SWEDISH FOREST INDUSTRIES FEDERATION. Swedish Wood. The CLT handbook, CLT structures – facts and planning. Estocolmo, 2019. 186 p. [5] EUROPEAN ORGANISATION FOR TECHNICAL APPROVALS. ETA-06/0138: Solid wood slab elements to be used as structural elements in buildings. Viena, 2017. 51 p. [6] CARVALHO, L.F.; JORGE, L.F.C.; JERÓNIMO, R. Plug-and-play multistory mass timber buildings: achievements and potentials. American Society of Civil Engineers. Reston, v. 26, n. 2, 04020011-1, 2020. [7] KREMER, P.D.; SYMMONS, M.A. Mass timber construction as an alternative to concrete ans steel in the Australian building industry: a PASTEL evaluation of the potential. International Wood Products Journal, v. 6, n. 3, p. 138-147, jun. 2015. [8] FAST, P.; GAFNER, B.; JACKSON, R. LI, J. Case study: an 18-storey tall mass timber hybrid student residence at the University of British Columbia, Vancouver. In: WORLD CONFERENCE ON TIMBER ENGINEERING, 2016, Viena. WCTE 2016 e-book, p. 6040 – 6048. [9] DRYSDALE, D. An introduction to fire dynamics. 3. ed. Edimburgo: John Wiley & Sons. Ltd, 2011. [10] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. Eurocode 5: Design of timber structures - Part 1-2: General - Structural fire design. Bruxelas, 2004, 69 p. [11] FRANGI, A.; FONTANA, M.; KNOBLOCH, M.; BOCHICCHIO, G. Fire Behaviour of Cross-Laminated Solid Timber Panels. In: THE NINTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FIRE SAFETY SCIENCE, Karlsruhe. Fire Safety Science-Proceedings of the Ninth International Symposium 2008, p. 1279-1290. [12] NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. The Fire Protection Research Foundation. Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings – Phase 2: Task 2 & 3 – Cross Laminated Timber Compartment Fire Tests, FPRF-2018-01-REV. Ottawa, 2018, 397 p. [13] JOHANSSON, E.; SVENNINGSSON, A. Delamination of Cross-laminated timber and its impact on fire development: focousing on different types of adhesives. Report 5562, Lund University, Suécia, 2018, 170 p. [14] KLIPPEL, M.; SCHMID, J.; FRANGI, A. Fire Design of CLT. In: JOINT CONFERENCE OF COST ACTIONS FP1402 & FP1404 AND KTH BUILDING MATERIALS, 2016, Estocolmo. Proceedings of the Joint Conference of COST Actions FP1402 & FP1404, “Cross Laminated Timber – A competitive wood product for visionary and fire safe buildings”, p. 101-122. [15] KLIPPEL, M. Fire safety of bonded structural timber elements. Zurique, 2014, 161 p. [Tese de Doutorado – ETH Zurich]. [16] PALMA, P. Fire behaviour of timber connections. Zurique, 2016, 111 p. [Tese de Doutorado – ETH Zurich]. [17] INTERNATIONAL CODE COUNCIL. American Wood Council. Mass timber buildings and the IBC 2021 edition. Washington D.C., 2020. 195 p.

FIG. 13 – ENSAIO INCÊNDIO DE LIGAÇÕES EXPOSTAS AO FOGO. (FONTE: [16])

FIG. 14 – CONECTORES DE AÇO REVESTIDOS POR CAVILHAS DE MADEIRA (FONTE: [17])