Artigo Científico - Madeira E Incêndio PDF

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIAS CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO DANIELLY ARCINI DE SOUZA GILSON BARROS DA SILVA

MADEIRA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

São Paulo 2016

DANIELLY ARCINI DE SOUZA GILSON BARROS DA SILVA

MADEIRA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Artigo

Científico

elaborado

para

o

aprofundamento teórico e prático de pesquisa para a conclusão do curso de pós-graduação em Estruturas e geotécnica. Pela disciplina de Estruturas de madeira, orientados pelo Professor Doutor Nilson Tadeu Mascia.

_________________________________ Assinatura do professor orientador.

São Paulo 2016

MADEIRA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Danielly Arcini de Souza Gilson Barros da Silva

RESUMO Com o desenvolvimento tecnológico em expansão, percebe se que existe uma certa resistência, com relação ao emprego da madeira de forma mais abrangente. Apesar de suas propriedades favoráveis ao seu emprego, esbarramos em alguns preconceitos, que são facilmente encontrados em função do não conhecimento e falta de legislação que ditam com clareza o seu emprego. A madeira também pode oferecer características que conseguem melhorar o seu desempenho comparado a outros materiais. Tendo a finalidade de mostrar estes detalhes e suas transformações quando submetidos a altas temperaturas sendo estudado as influencias e transformações que pode ocorrer na estrutura de forma ordenada em função das fases de aumento gradativo da ação do fogo, estas informações podem ajudar a criação de modelos matemáticos no sentido de melhor compreensão destes fenômenos, para a aplicação em edificações com maior confiabilidade.

Palavras-chave: madeira; incêndio; ______________________________

*Danielly Arcini de Souza, **Gilson Barros da Silva *Engenheira Civil, pela Universidade Cidade de São Paulo no ano de 2013. Aluna Especial do curso de Pós-graduação em Estruturas e Geotécnica, da Universidade Estadual de Campinas. Atuando como engenheira autônoma e Professora na Faculdade Eniac.

**Engenheiro Civil, pela Universidade Cruzeiro do Sul no ano de 2006. Aluno Especial do curso de Pós-graduação em Estruturas e Geotécnica, da Universidade Estadual de Campinas. Atuando como engenheiro autônomo e Professor na Universidade Cruzeiro do Sul.

INTRODUÇÃO A madeira esta compreendida como um dos materiais mais antigos no emprego da construção civil e concebe muitas condicionantes relevantes para justificativa de seu uso. Suas particularidades físicas direciona o emprego da madeira na utilização de esquadrias, telhados, mezaninos, acabamentos, formas de estrutura e também na construção de uma forma geral. Utilizada até mesmo de uma forma secundaria, como escoramentos provisórios, formas. Pode ser descrito algumas qualidades intrínsecas as madeiras de uma forma geral como; ser um recurso renovável, sustentável comparado a outros materiais mais poluentes, emprego de ferramentas simples, apresenta excelente desempenho nas propriedades físicas no que se diz respeito ao conforto térmico e acústico, baixa massa especifica, bom desempenho mecânico, porem apresenta algumas vulnerabilidades como ataque de insetos, incertezas com as propriedades mecânicas e suscetível a incêndio. Em situação de incêndio a madeira exposta ao calor, será consumida pelo fogo, esta condicionante entre outras resulta em um preconceito na sua utilização como edificações de madeira. A incerteza do comportamento físico e mecânico da madeira sob ação do fogo tem feito com que muitos projetistas de setor construtivo declinem da escolha deste material no uso estrutural. (KLEIN, 2012, p. 14).

OBJETIVOS Pretendo descobrir se o uso da madeira é viável em questão de segurança contra incêndio. Para justificar a segurança nessa questão. Contribuirá para quebrar uma série de suposições sem fundamento que existe na cultura da população.

JUSTIFICATIVA Descobrir como a madeira se comporta em situação de incêndio, e a segurança atual. Para assim justificar o uso.

CONTEXTO HISTÓRICO A descoberta da madeira, vem desde a idade da pedra, onde o uso da madeira como forma de estrutura possivelmente veio de um tronco caído ligando duas margens de um rio, possibilitando a travessia, sendo mais fácil de trabalhar e com mais abundancia e variedades deu ao homem a possibilidade de novos abrigos fora das cavernas. Tendo muita evolução até os tempos de hoje, ao qual chegamos na indústria da madeira entre outros. A substituição das rodas d’água por mecanismos movidos a vapor possibilitou um aumento na produtividade em incentivo a madeira serrada em meados do século XIX, assim promovendo a migração e o incentivo ao grande consumo da madeira para atender as necessidades de infraestrutura.

PROBLEMA E HIPÓTESES Qual é o comportamento da madeira na situação de incêndio?

DESENVOLVIMENTO Organização estrutural da madeira A constituição da madeira se dá por células de tamanhos variados de acordo com sua organização interna, onde existem três disposições principais, sendo eles, a tangencial, radial e longitudinal, ligadas entre si por um material de nome lignina compondo assim um tecido lenhoso. Os fatores físicos podem variar de acordo com a idade, genética e o ambiente. Outro ponto importante é que a madeira é classificada como um material ortotrópico, que significa que existe variação comportamental em relação a direção de exigência da fibra da madeira. Existem alguns defeitos importantes que afetam o comportamento estrutural interno da madeira, sendo um deles os nós, que ocorre devido ao crescimento dos galhos, tendo início na medula da árvore em direção a parte externa com esse crescimento causa mudanças no tecido

lenhoso. Possuem dois tipos de nó os vivos e os mortos. Sendo possível reduzir a causa de defeitos com um melhor planejamento do manejo proporcionando melhor homogeneidade. Composição química da madeira Os principais itens da organização química da madeira podem ser determinados pela celulose, hemicelulose, lignina, conforme tabela:

Componentes

Presença

Celulose

40 – 45 %

Hemicelulose

± 20 %

Lignina

15 – 35 %

Outros Constituintes

Até 10 %

Fonte: Winandy e Rowell (2005)

Celulose: é definido por ser um polímero constituído de glucoses. Lignina: tem a função de unir as cadeias de celulose, promovendo uma cimentação no material lenhoso. Hemicelulose: é uma composição de polímeros hexoses, pentoses e ácidos urânicos, havendo a possibilidade de serem lineares ou ramificados. Ação do fogo na madeira A madeira sob a ação do fogo tem sua estrutura química modificada conforme o tempo de exposição e a intensidade de temperatura deste evento. Quando expostos a altas temperaturas sofre perda de umidade e despolimerização da madeira com liberação de gazes inflamáveis, e a combustão do material lenhoso. Estas variações podem ser interpretadas analisando a tabela abaixo:

Tabela de Alterações na madeira em relação a diferentes temperaturas.

Fonte: Schaffer (1973)

Nota: ISO 8421-1 Combustão – reação exotérmica de uma substância combustível com um oxidante usualmente acompanhada por chamas e/ou abrasamento e/ou emissão de fumaça. De acordo com o autor Lepage et al. (1986, p. 220) a definição de combustão é: [...] combustão é um processo onde duas ou mais substâncias reagem com a evolução de calor, luz e produtos residuais. Este processo depende não só de fatores químicos, mas também das propriedades físicas do substrato e outras condições que afetam o fenômeno de transporte de calor e de massa. As reações químicas provocadas pelo calor são heterogenias, resultando ações endotérmicas e exotérmicas. O aquecimento da madeira provoca em sua estrutura química mudanças de suas características iniciais resultando gases voláteis que iram compor parte das reações de

combustão, com este preceito fica mais didático a interpretação das fases de aquecimento, limitadas por reações químicas, já conhecidas, conforme quadro abaixo.

Fonte: Schaffer (1973)

Na primeira fase compreendida entre a temperatura inicial e 200ºC observa-se a formação de vapor de água, e formação de gases, ocorrendo a perda de água, denominado pirólise lenta. Na segunda fase é possível interpretar os fenômenos contribuindo para perda de massa do material, este chamado de pirólise rápida. A pirólise é um processo de conversão térmica que implica na ruptura de ligações carbonocarbono e na formação de ligações carbono-oxigênio. Mais apropriadamente a pirólise é um processo de oxidação-redução na qual uma parte da biomassa é reduzida a carbono, entretanto, a outra parte, é oxidada e hidrolisada dando origem a fenóis, carboidratos, álcoois, aldeídos, cetonas e ácidos carboxílicos. Esses produtos primários combinam-se entre si para dar moléculas mais complexas tais como ésteres, produtos poliméricos, etc. De acordo com o tipo de pirólise assim será a proporção de substâncias com maior (pirólise lenta) ou menor (pirólise rápida) peso molecular. [...] (ROCHA; MESA PÉREZ; CORTEZ, 2004, p. 02).

Etapas da Pirólise na madeira

Fonte: Neves et. al. (2011)

Produtos da pirólise dos principais componentes da biomassa.

Na terceira fase com o aumento da exposição ao calor consegue-se detectar a formação de carvão vegetal e uma fase exotérmica com desidratação. O carvão vegetal pode ser descrito como um material sólido de cor negra, com densidade entre 180 a 300 Kg.m³, friável, resultante da carbonização de biomassa. (TROMPOWSKY, 2006). A mudança química da hemicelulosa ocorre entre 160ºC e 260ºC, enquanto que a lignina tem variação química na faixa comprometida entre 225ºC a 450ºC. Os estudos para obtenção de dados na perda da massa ocasionada por altas temperaturas na madeira, vem auxiliando para interpretação do desempenho do material, quando submetido ao fogo.

Carbonização da madeira Existe uma boa variação numérica no que se refere a interpretação do valor de calor para promover a carbonização, nas literaturas, como o Eurocódigo 5, parte 1-2 (2002) que interpreta o valor de 300ºC para este acontecimento. A carbonização deve ser interpretada com atenção, devido a taxa de carbonização. Segunfo a norma ASTM e 119-08a (2009), incêndio padrão da norma americana. As taxas não evoluem de forma linear, pois entendendo os acontecimentos podemos perceber que o início da camada de carbonização é maior, o que pode também influenciar nesta fase, são os tamanhos variados das peças empregadas, ou a quantidade de lados que estará em contato com a temperatura. Alguns fatores podem influenciar diretamente na carbonização, dentre os principais, pode ser citado: massa específica, o teor de umidade, a espécie da madeira, as formas com que a madeira foi empregada no sentido de dimensões geométricas e o calor que está peça será submetida. A massa específica tem relação direta com a quantidade de água impregnada na parede celular do material lenhoso. Quanto maior a massa específica menor é a taxa de carbonização. Espécie da madeira em função da sua ancestralidade e condicionantes biológicas, promovem um lenho mais ou menos resistente. Índices de carbonização Sendo um resultado da carbonização, o carvão, quando solicitado percebe-se funções mecânicas irrelevantes, mostrando que este subproduto, pós incêndio pode colocar em xeque a confiabilidade em suas características da madeira no quesito resistência mecânica. Pode ser constatado que a camada carbonizada promove uma proteção, com relação a ação das temperaturas influenciando a peça, pois a condutibilidade térmica da camada carbonizada, chega a ser 1/6, quando comparada a madeira intacta. Influência do fogo na madeira Podemos descrever que o fogo degrada a estrutura de um material quando nos reportamos para edificações, porem a combustibilidade não é o principal cuidado a ser reconhecido em uma edificação.

As peças de madeira, principalmente as maciças se destacam quando expostas ao fogo e considerando o fator tempo.

Pilar de madeira carbonizado Fonte: BROCHARD, F. X. (1960) p. 112.

Existem tecnologias para melhor ainda mais o comportamento da madeira sob a ação do fogo. As fases de um incêndio Para interpretação da fase de um incêndio deve-se entender que os materiais podem ser aquecidos por uma fonte de calor e atingirem sua temperatura de combustão. Alguns principais fatores que contribuem nesta fase podem ser interpretados na tabela abaixo.

Fatores que controlam a ignição dos materiais Fonte: KATO, M.F. (1988). Propagação superficial de chamas em materiais.

A inflamação generalizada pode ser compreendida como um acontecimento na fase de aquecimento e queima, ou seja, quando todos os materiais entram em estado de queima. Uma forma de interpretação da intensidade da temperatura é a consideração das cores nas chamas produzidas.

Fonte: LANDI (1988) p.467-8

As estruturas devem se comportar de maneira a garantir o tempo de evacuação do prédio e a proteção do patrimônio, mantendo a integridade da vizinhança, como também assegurar a estrutura intacta sob a ação da brigada de incêndio. CONSIDERAÇÕES FINAIS As informações obtidas pela pesquisa mostram um entendimento sobre os acontecimentos químicos e suas consequências em relação a confiabilidade da madeira no qual foi descrito sobre a degradação térmica e o avanço da carbonização no elemento madeira, podendo direcionar as seguintes conclusões. Conhecendo as transformações do elemento sobre a ação do calor e sabendo que temos perdas em suas propriedades mecânicas, mas em contar partida conhecendo a velocidade da carbonização, que é dita pelo peso específico, teor de umidade, tipo da espécie consequentemente o tempo de exposição ao fogo, podem ser criados parâmetros antecedentes a estes acontecimentos tornando mais favorável a aplicação da madeira de maneira mais intensa nas edificações.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA Artigos: OLIVEIRA, Lucia Klein. Resistência Mecânica da Madeira: Estudo da variação mediante a ação do fogo. Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRS, 2012. Livros: KATO, M.F.(1988). Propagação superficial de chamas em materiais. In: TECNOLOGIA de edificações, São Paulo, IPT/PINI. Cap.4, p.369-372. LANDI, F.R.(1988). Evolução e propagação do fogo. Anais EPUSP, Sér. A. 5. São Paulo, EPUSP. v.1, p.463-78. BROCHARD, F. X. (1960). Bois et charpente en bois. Paris. TROMPOWSKY, P. M. Síntese e caracterização de substâncias semelhantes aos ácidos húmicos de carvão vegetal de eucalipto, e sua interação com diclorofenol, cálcio , manganês e alumínio. 2006, 107p. Dissertação (Mestrado em ciências florestais) – Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, 2006. LEPAGE, E. S. (Coord.); OLIVEIRA, A. M. F.; LELIS, A . T. ; LOPES, G. A. C.; CHIMELO, J. P.; OLIVEIRA, L. C. S.; CAÑEDO, M. D.; CAVALCANTE, M. S.; IELO, P. K. Y.; ZANOTTO, P. A.; MILANO, S. Manual de preservação de madeiras. São Paulo: IPT, 1986. V. 1. SCHAFFER, E. L. Charring Rate of Selected Woods-Transverse to Grain. Madison: Forest Products Laboratory, 1967. PICCIOLI. Lodovico. I Legnami: Tecnologia e Utilizzazione Boschiva. 2ª Edição. Torino: UTET, 1927. BROWN. Nelson C. BETHEL. James S. La Industria Maderera. 1ª Edição revisada. Editorial Limusa-WILEY, S. A. Mexico, 1973. Sites: ONDATEC. Hemicelulose. Disponível na Internet via http://www.ondatec.com/carbonizacao/hemicelulose. Arquivo capturado em 01, novembro de 2016. PORTAL DA MADEIRA. A Madeira na História. Disponível na Internet via http://portaldamadeira.blogspot.com.br/2008/12/madeira-na-histria.html. Arquivo capturado em 01, novembro de 2016.

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