COMPORTAMENTO DE LIGAÇÕES APARAFUSADAS EM ELEMENTOS DE MADEIRA SUJEITOS AO FOGO

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1 1º CILASCI Congresso Ibero-Latino-Americano sobre Segurança Contra Incêndios Natal Brasil Março 2011 COMPORTAMENTO DE LIGAÇÕES APARAFUSADAS EM ELEMENTOS DE MADEIRA SUJEITOS AO FOGO Nádia D. Correia Aluna de DSCI UC - Coimbra Portugal Poliana D. Moraes Professora UFSC - Florianópolis Brasil João P. Rodrigues 20 Professor UC - Coimbra Portugal SUMÁRIO A legislação actual apresenta uma lacuna no dimensionamento de ligações em estruturas de madeira para temperaturas entre 23ºC e 300ºC. Nesse sentido, realizou-se um estudo experimental sobre a influência deste parâmetro na resistência ao esmagamento da madeira e em ligações com 1 e 3 parafusos. Foi ainda analisado o desempenho térmico do ligador, por meio de ensaios de aquecimento, em 4 tipos de protecções. Palavras-chave: Madeira, incêndio, ligações, resistência e parafuso. 1. INTRODUÇÃO O comportamento ao fogo das ligações em estruturas de madeira é ainda um assunto bastante complexo e que levanta inúmeras questões. O tempo que uma ligação resiste em situação de 20 Autor correspondente Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Rua Luís Reis Santos. Polo II da Universidade Coimbra. PORTUGAL. Telef.: Fax: jpaulocr@dec.uc.pt 193

2 Nádia D. Correia, Poliana D. Moraes e João P. Rodrigues incêndio, a influência da configuração das ligações e dos elementos metálicos no campo térmico dentro da ligação, os modos de rotura são alguns dos parâmetros que requerem mais pesquisa. De modo a obter as respostas a estas questões realizaram-se vários estudos experimentais, numéricos e analíticos em ligações de estruturas de madeira expostas a temperaturas elevadas [1-7]. Apesar dos vários estudos realizados até ao presente, persiste uma lacuna de informação no comportamento de ligações aparafusadas em elementos de madeira, para uma gama de temperatura superior à temperatura ambiente, 23ºC, e inferior à temperatura que conduz à carbonização da madeira, 300ºC. Neste sentido, pretende-se avaliar a influência deste parâmetro na resistência ao esmagamento da madeira e em ligações com 1 e 3 parafusos e verificar o desempenho térmico das protecções dos ligadores, por meio de ensaios de aquecimento, em 4 tipos de protecções. 2. ENSAIOS EXPERIMENTAIS Realizaram-se ensaios mecânicos que permitiram determinar a resistência das ligações, com um e três ligadores, e do esmagamento da madeira. Foi ainda analisado o desempenho térmico das protecções dos ligadores, por meio de ensaios de aquecimento, em 4 tipos de protecções, nomeadamente, tampas de OSB (Oriented Strand Board) e de madeira maciça, de tinta intumescente CIN C-Therm Aqua com aplicação de uma e duas camadas. 2.1 Amostras e provetes No estudo da resistência mecânica das ligações foram utilizadas 3 amostras de Pinus taeda, com um ter de humidade de, aproximadamente, 12%, constituídas por 42 provetes cada, os quais foram distribuídos em 6 grupos com densidades homogéneas entre si, conforme especificado no Quadro 1, não se verificando diferenças significativas de acordo com a análise estatística realizada [8]. Quadro 1: Amostras e programa de ensaio Ensaios Densidade a 20 C Número de provetes por nível de temperatura (kg.m -3 ) 20 C 50 C 100 C 150 C 200 C 230 C Esmagamento 449 a Ligador 429 a Ligadores 427 a A madeira dos provetes utilizados nos ensaios era proveniente de um lote heterogéneo com idades compreendidas entre 12 e 30 anos, retiradas de florestas plantadas na região de Lages, em Santa Catarina, Brasil. Os provetes encontravam-se isentos de defeitos, sem nós nem fissuras, e oriundos de barrotes de secção transversal de 30 mm x 60 mm e de 40 mm x 60mm. Os provetes destinados ao ensaio do esmagamento da madeira na direcção paralela às fibras foram executados de acordo com a NF EN 383 [9] e aqueles a utilizar na determinação da resistência da ligação com um e três ligadores, tiveram em consideração as especificações da EN [10], resultando nos provetes apresentados na Figura

3 Comportamento de ligações aparafusadas em elementos de madeira sujeitos ao fogo a) Ensaio de resistência b) Ensaio de resistência c) Ensaio de resistência ao esmagamento com um ligador com 3 ligadores Figura 1: Provetes Os parafusos utilizados nos provetes são parcialmente roscados, classe 8.8 e com 10 mm de diâmetro. Aquando da realização dos ensaios, a região da zona roscada encontrava-se localizada no exterior da madeira. Para o estudo do desempenho térmico das protecções, optou-se por efectuar dois ensaios de aquecimento, com 5 provetes cada, constituídos por um exemplar de cada tipo de protecção e um provete de controlo (sem protecção), designados por Grupo 1 e Grupo 2 nos resultados. Os provetes apresentavam a geometria ilustrada na Figura 1(b), aos quais foram aplicadas tampas de OSB e de madeira maciça através de um sistema de colagem, resistente a temperaturas elevadas. As camadas de tinta foram aplicadas conforme as indicações referidas no folheto fornecido pelo fabricante. De modo a avaliar mais eficazmente o desempenho térmico das protecções, soldou-se um termopar do tipo K a cada um dos parafusos, de modo a fornecer uma evolução de temperatura mais exacta do ligador (Figura 2). Figura 2: Protecções térmicas - provete de controlo sem protecção (a); uma camada de tinta intumescente (b); duas camadas de tinta intumescente (c); "tampa" OSB (d); "tampa" de madeira maciça (e). 2.2 Ensaios mecânicos No presente estudo utilizou-se a máquina de ensaio Kratos, com uma célula de carga de 200 kn e com uma precisão de 0,2 kn, a qual possui um sistema computacional que regista os 195

4 Nádia D. Correia, Poliana D. Moraes e João P. Rodrigues valores de força e deslocamento permitindo, posteriormente, a análise dos mesmos. Aquando a realização dos ensaios a temperaturas elevadas utilizou-se uma câmara térmica com dimensões internas de 37cm 50cm 52cm e com programador de temperatura. No interior da câmara estava inserido o dispositivo de aplicação de carga (Figura 3). Câmara térmica Provete Pratos compressão de Figura 3 17: Mecanismo de ensaio da resistência de ligações com 3 ligadores a temperaturas elevadas. Para a determinação da resistência mecânica a temperaturas elevadas foi necessário aquecer previamente os provetes durante 150 minutos, de modo a homogeneizar a temperatura no interior dos mesmos. O tempo de aquecimento foi estimado a partir de ensaios preliminares, nos quais os provetes com termopares do tipo K inseridos no seu interior foram introduzidos no forno, pré-aquecido à temperatura de 80 e 120ºC. O tempo de aquecimento foi determinado através do tempo necessário que a temperatura do interior do provete levava a atingir a temperatura do forno, garantindo a homogeneização da temperatura de todo o material aquecido. Nos ensaios de esmagamento da madeira na direcção paralela às fibras, a velocidade de deslocamento na travessa da máquina transversal de ensaio foi de 1,9 mm/min, a fim de assegurar que o rompimento dos provetes apenas se dê no final de 300±120 segundos, de acordo com a NF EN 383 [9]. Para os ensaios de determinação da resistência com um e três ligadores, a velocidade de deslocamento na travessa foi adaptada aos pressupostos da norma anteriormente mencionada, resultando em velocidades de 1,5 mm/min e 1,3 mm/min, respectivamente. O ensaio considera-se finalizado quando o esmagamento na madeira for o equivalente a um diâmetro do ligador, ou seja, 10 mm, ou no caso de fendilhamento de um dos elementos da ligação. 2.3 Ensaios de desempenho térmico Os provetes foram inseridos a câmara térmica à temperatura ambiente por grupos (Grupo 1 e Grupo 2) e aquecidos a uma taxa de 12,5 ºC/min, permitindo atingir 375ºC ao fim de 30 minutos. Durante o ensaio, registaram-se as evoluções das temperaturas nos provetes e no forno, através de termopares que se encontravam ligados a um sistema de aquisição de dados. 196

5 Comportamento de ligações aparafusadas em elementos de madeira sujeitos ao fogo 3. ANÁLISE DE RESULTADOS Os resultados dos ensaios mecânicos e de desempenho térmico das ligações aparafusadas em madeira a temperaturas elevadas são apresentadas e discutidas neste capítulo. 3.1 Teor de humidade no final dos ensaios Na Figura 4 apresenta-se o teor de humidade nos provetes após o esmagamento localizado da madeira na direcção paralela às fibras em função da temperatura de ensaio. O teor de humidade diminui linearmente com o aumento da temperatura do ensaio até, aproximadamente, 150ºC, devido à secagem rápida da madeira, encontrando-se os provetes praticamente anidros para esta temperatura. A partir desta temperatura, inicia-se a perda de massa da madeira, a qual está relacionada com a degradação térmica dos polímeros. Figura 14: Teor de humidade dos provetes após o ensaio de esmagamento da madeira Resultados idênticos foram observados nos ensaios de resistência de ligações com um e três ligadores. Segundo Schaffer [11], a 140 ºC, dá-se a libertação da água contida nos constituintes da madeira e inicia-se a degradação dos seus componentes químicos, nomeadamente, lenhina, celulose e hemicelulose, o que pode estar relacionado com a perda de peso dos provetes. Para temperaturas superiores a 100ºC, de acordo com Young e Clancy [12], tem início a libertação da humidade contida na parede celular pela superfície da madeira. 3.2 Resistência ao esmagamento da madeira na direcção paralela às fibras A Figura 15 exibe os valores obtidos nos ensaios de resistência ao esmagamento da madeira. Verifica-se que a resistência ao esmagamento da madeira diminuiu com o aumento da temperatura. A 23ºC, a resistência média ao esmagamento foi de 45 MPa, enquanto que a 230 ºC verificou-se uma resistência média de 28 MPa, ocorrendo uma redução de resistência na ordem dos 38%. 197

6 Nádia D. Correia, Poliana D. Moraes e João P. Rodrigues Figura 15: Resistência ao esmagamento da madeira na direcção paralela às fibras As resistências médias reduzidas a 23ºC, para o ensaio de esmagamento localizado desta investigação, são similares às obtidas por Moraes et al. [13] e Manriquez [14] para o Pinus sylvestris e Schizolobium amazonicum, respectivamente (Figura 16). Figura 16: Comparação dos resultados com outros autores 3.3 Resistência das ligações As Figura 17 (a) e (b) ilustram a resistência das ligações com um e três ligadores em função da temperatura. Aos 23 ºC, a resistência média é de 13 kn para ligações simples e de 40 kn para ligações com três ligadores. Observou-se que para as diferentes temperaturas de ensaio, excepto para 50 ºC, a resistência obtida para o ensaio das ligações com três ligadores é sensivelmente a tripla da obtida para as ligações simples, apresentando uma diferença inferior a 10 %. Aos 50 ºC a diferença é mais significativa, na ordem dos 28 %. 198

7 Comportamento de ligações aparafusadas em elementos de madeira sujeitos ao fogo (a) (b) Figura 17: Resistência das ligações com um ligador (a) e com três ligadores (b) As referidas figuras apresentam uma redução não monótona da resistência em função da temperatura, com um mínimo de 6,9 kn a 50 ºC, para ligações simples, e 23,4 kn a 100 ºC para ligações com três ligadores, correspondendo a reduções da resistência de 47,2 % e 41,2 %, relativamente aos ensaios em temperatura ambiente, respectivamente. Verificou-se que para todos os níveis de temperatura analisados, excepto a 50ºC, a redução de resistência em função da temperatura era semelhante quando comparada aos valores obtidos à temperatura ambiente. A resistência das ligações em elementos de madeira é influenciada por diversos parâmetros, nomeadamente, o teor de humidade, a temperatura de transição vítrea e a degradação da madeira, Wilkinson and Rowlands [15] e Soltis and Wilkinson [16]. A transição vítrea da madeira encontra-se intrinsecamente relacionada com a temperatura e o seu teor de humidade. No decorrer dos seus estudos, Irvine [17] constatou que a transição vítrea da lenhina em diversas espécies de madeira ocorria numa gama de temperaturas compreendidas entre 60 e 90 ºC. Olsson e Salmén [18], ao ensaiarem madeiras húmidas, verificaram que a transição vítrea para o Ulmus americana e para o Pinus strobus ocorre em torno dos 78 e 90 ºC respectivamente. A estrutura da lenhina e a hemicelulose começam a amolecer a partir dos 55ºC, segundo os estudos de Schaffer [11]. A transição vítrea seca, dos polímeros da madeira, ocorre a temperaturas elevadas. Para Back e Salmén [19], a transição vítrea seca da celulose seca ocorre entre 200 e 250 ºC, para a hemicelulose ocorre numa gama de temperaturas compreendida entre 150 e 200 ºC e para a lenhina ocorre numa temperatura superior a 205 ºC, o que pode justificar o comportamento do Pinus taeda a partir de 200 ºC. Segundo Chafe [20], a redução da resistência na madeira com a temperatura está relacionada com a degradação térmica dos seus polímeros e com o aparecimento de fendas no seu interior durante o processo de secagem. 199

8 Nádia D. Correia, Poliana D. Moraes e João P. Rodrigues 3.4 Desempenho térmico das ligações A Figura 22 (a) e (b) apresentam a evolução da temperatura do interior da câmara térmica e dos parafusos entre duas peças de madeira. Até aos 14 minutos, sensivelmente, observa-se um comportamento idêntico em ambos os grupos, apresentando as protecções, OSB e de madeira maciça, melhor desempenho a temperaturas elevadas. A massa específica do OSB era superior à da madeira de Pinus taeda, provavelmente este facto contribuiu para um melhor isolamento térmico. Os provetes, aos quais foi aplicado tinta intumescente, tiveram um desempenho térmico semelhante ao verificado no corpo de controlo. Este resultado pode ser justificado pelo facto da tinta começar a intumescer a partir dos 300 ºC, no entanto, uma vez que o ensaio teve de ser interrompido não foi alcançada esta temperatura. (a) (b) Figura 22: Desempenho térmico das protecções do Grupo 1 (a) e Grupo 2 (b) 200

9 Comportamento de ligações aparafusadas em elementos de madeira sujeitos ao fogo 4. CONCLUSÕES Neste estudo, foi analisada a influência da temperatura no esmagamento da madeira e na resistência das ligações de Pinus taeda com um e três ligadores, tendo sido obtidas as seguintes conclusões: O teor de humidade da madeira decresce linearmente até aos 150 ºC; A resistência ao esmagamento da madeira na direcção paralela às fibras decresce com o aumento da temperatura; A resistência das ligações com um ligador decresce, com um mínimo a 50 ºC, seguindo-se de um aumento até 150 ºC, prosseguida novamente de um decréscimo até aos 240 ºC. O facto da resistência mínima ser atingida aos 50 ºC, pode-se revelar um problema, visto ser uma temperatura facilmente atingível em várias partes do Mundo, principalmente em coberturas; A resistência das ligações com três ligadores decresce até aos 150 ºC, verificando-se um mínimo, seguindo-se de um acréscimo de resistência até aos 150 ºC, voltando a apresentar uma diminuição da resistência até aos 240ºC; Dos 4 tipos de protecção térmica apresentados para os parafuso, as tampas de OSB e de madeira maciça apresentaram melhor desempenho que a pintura com tinta intumescente. 5. BIBLIOGRAFIA [1] Correia, N. Comportamento de ligações em estruturas de Madeira sob influência de temperaturas elevadas, Tese de Mestrado, Universidade de Coimbra, Coimbra, [2] Fornather, J., Bergmeister, K. and Hartl, H. - Fire behavior of steel fasteners in wood composites experimental analyses, Proceedings of the RILEM Congress on Joints in Timber Structures, Stuttgart, Germany, [3] König, J. and Fontana, M. - The performance of timber connections in fire tests results and rules of Eurocode 5, Proceedings of the RILEM Congress on Joints in Timber Structures, Stuttgart, Germany, [4] Moraes, P. D. - Influence de la temperature sur les assemblages en bois, Tese de Doutoramento, Université Henri Poincaré, Nancy, França, [5] Laplanche, K., Dhima, D. and Racher, P. - Predicting the behavior of dowelled connections in fire: Fire tests results and heat transfer modeling, Proceedings of the World Conference of Timber Engineering, vol. 2, Berlin, Germany, 2004, p [6] FREDLUND, B. - modeling of heat and mass transfer in wood structures during fire, Fire Sfety Journal, VOL. 20, 1993, P [7] Moss, P., Buchanan, A., Fragiacomo, M. and Austruy C. - On the design of timber bolt connections subjected to fire, SIF 08 Proceedings of the Fifth International Workshop Structures in Fire, Singapore, 2008, p [8] Montgomery, D. C.; Runger, G. C. - Applied statistics and probability for engineers, 3 rd edition, New York, [9] Norme Française. - NF EN383 -Détermination de caractéristiques de fondation et de la portance locale d éléments d assemblages de type broche, [10] CEN. - Eurocode 5: Design of timber structures part 1-1: General common rules and rules for building, Brussels,

10 Nádia D. Correia, Poliana D. Moraes e João P. Rodrigues [11] Schaffer, E. - Effect of pyrolytic temperatures on the longitudinal strength of dry Douglasfir, Journal of testing and evaluation, vol. 1, no. 4, 1973, p [12] Young, S. and Clancy, P. - Compression Mechanical Properties of Wood at Temperatures Simulating Fire Conditions, Fire and Materials, no. 25, 2001, p [13] Moraes P. D., Rogaume Y. and Triboulot P. - Influence of temperature on the embeddment strength, Holz als Roh-und Werkstoff, no. 63, 2005, p [14] Manriquez M. J. - Influence of the temperature on the mechanical resistance of the Paricá, Tese de Mestrado, Universidade de Santa Catarina, Florianópolis, Brasil, [15] Wilkinson, T. L. and Rowlands, R. E. - Analysis of mechanical joints in wood, Experimental mechanics, 1981, p [16] Soltis, L. A. and Wilkinson, T. L. - Bolt-connection design, FPL GTR U. S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, Wisconsin, [17] Irvine, G. - The glass transitions of lignin and hemicellulose and their measurement by differential thermal analysis, Tappi J., vol. 67, no. 5, 1984, p [18] Olson, A. and Salmén, L. - Humidity and temperature affecting hemicellulose softening in wood, International conference of COST action E8. Denmark, 1997, p [19] Back, E. L. and Salmén, N. L. - Glass transition of wood components hold implications formolding and pulping processes, Tappi J., vol. 65, no. 7, 1982, p [20] Chafe S. - Growth stresses in trees, Australian Forest Res. 9, 1979, p