Comportamento da madeira a temperaturas elevadas

Wood behavior at high temperatures

Resumo

No Brasil, a combustibilidade da madeira e a insegurança diante de potenciais riscos relacionados a incêndios são consideradas restrições para a construção de edificações com sistemas estruturais em madeira. Essa situação é fruto do desconhecimento do comportamento da madeira em relação ao fogo. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão bibliográfica abrangente sobre o comportamento da madeira a temperaturas elevadas, abordando assuntos relativos à degradação térmica, à taxa de carbonização e à influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas da madeira. Essas informações podem contribuir para o aprimoramento de modelos numéricos sobre o comportamento termomecânico de estruturas de madeira em situação de incêndio, para a construção de edificações mais seguras e também para a eliminação do preconceito relativo ao uso desse material na construção civil.

Palavras-chave: Taxa de carbonização; Temperatura; Resistência Mecânica; Polímeros da Madeira

Abstract

In Brazil, the combustibility of wood and insecurity regarding potential fire risks are considered restrictions for the use of timber-structured buildings. This situation is due to the lack of knowledge about the behavior of wood structures on fire. The aim of this study is to present a comprehensive literature review on the behavior of wood at high temperatures, discussing issues related to thermal degradation, charring rate and the influence of temperature on the mechanical properties of wood. This information may contribute to improve numerical models on the thermo-mechanical behavior of wood structures on fire, in order to build safer wooden buildings and also to eliminate preconceptions regarding the use of this material.

Keywords:  Charring rate; Temperature; Mechanical strength; Wood polymers

Introdução

A madeira é um dos materiais de construção mais antigos e possui enormes potencialidades na indústria da construção. Ela tem bom desempenho quando aplicada em edifícios projetados, construídos e mantidos de forma adequada, porém seu uso como material de construção é limitado devido ao preconceito relativo a sua reação ao fogo. A madeira é um material combustível e, como os demais materiais combustíveis sólidos, quando aquecida, produz gases combustíveis que, quando expostos ao calor, queimam e produzem chama. Os gases quentes e as chamas, por sua vez, aquecem a porção de madeira ainda não atingida pelo calor e promovem a liberação de mais gases inflamáveis, gerando um processo em cadeia que alimenta a combustão.

A madeira, quando é submetida a uma situação de incêndio, irá queimar. Porém, tanto a madeira quanto o carvão oriundo da combustão da primeira são isolantes térmicos e retardam o fluxo de calor para o interior da seção, abrandando a velocidade da degradação térmica e retardando o avanço da frente de carbonização. Dessa forma, quando submetidos ao fogo, os elementos estruturais de madeira exibem em seus interiores, após a camada carbonizada, uma estreita camada aquecida, cujas propriedades mecânicas são afetadas pelo calor, e um núcleo inalterado.

Segundo White (2002), a resistência ao fogo de um elemento ou estrutura de madeira depende da existência de uma camada protetora ou espessura da camada carbonizada da madeira e das dimensões da seção residual, as quais dependem da taxa de carbonização da espécie de madeira usada.

No Brasil, a combustibilidade da madeira e a insegurança diante de potenciais riscos relacionados a incêndios são consideradas restrições para a construção de edificações com sistemas estruturais em madeira, as quais são agravadas pelo não-financiamento de construções dessa natureza pelas instituições bancárias nacionais. Essa situação é fruto do desconhecimento do comportamento da madeira em relação ao fogo. Na América do Norte e na Europa, o cenário é totalmente diferente. As construções em madeira são largamente utilizadas devido ao alto grau de industrialização e racionalização dos sistemas construtivos empregados, além do excelente empenho térmico exibido pela madeira e seus derivados.

As normas técnicas de construções em madeira apresentam os critérios de dimensionamento de estruturas em situação de incêndio. O Eurocódigo 5, Parte 1-2, (2002) prevê a utilização de métodos simplificados e avançados para a determinação da resistência dos elementos estruturais. Os métodos simplificados prescrevem a determinação da seção residual da madeira a partir da taxa de carbonização e também da redução das propriedades mecânicas do material em função da geometria da seção transversal. Já os métodos avançados permitem a modelagem dos fenômenos termomecânicos que ocorrem no interior da madeira. Para o uso de qualquer um dos métodos, faz-se necessário o conhecimento do comportamento da madeira a altas temperaturas.

Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão bibliográfica abrangente sobre o comportamento da madeira a temperaturas elevadas, abordando assuntos relativos à degradação térmica, à taxa de carbonização e à influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas da madeira. Essas informações contribuirão para o desenvolvimento de projetos de edificação em madeira em situação de incêndio e, também, para diminuir o preconceito do uso desse material na construção civil.

Este trabalho encontra-se organizado na seguinte sequência: estrutura da madeira e elementos constituintes, degradação térmica da madeira, taxas de carbonização, influência da temperatura sobre os polímeros da madeira, influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas da madeira e conclusões.

Estrutura da madeira e elementos constituintes

A madeira é um material heterogêneo e natural que possui diferentes tipos de células adaptadas a desempenharem funções específicas na árvore. Essas células são dispostas no sentido radial, tangencial e longitudinal, e ligadas entre si pela lignina, constituindo o tecido lenhoso. As variações físicas e anatômicas da madeira são grandes entre espécies e dentro da mesma espécie, principalmente em função da idade, de fatores genéticos e ambientais (BODIG; JAYNE, 1993).

Os principais polímeros que compõem a madeira são celulose, hemicelulose, lignina e extrativos em geral, cujas percentagens estão apresentadas na Tabela 1. A celulose compõe a maior parte dos tecidos vegetais, tanto em gimnospermas, quanto em angiospermas (WINANDY; ROWELL, 2005). A hemicelulose é um polissacarídeo que contém pelo menos dois tipos de monossacarídeos em sua estrutura primária, que podem corresponder a diferentes tipos de hexoses, pentoses e, em alguns casos, ácidos urônicos (FENGEL; WENEGER, 1984). Esses polissacarídeos estão associados com a celulose na parede celular e são constituídos por cadeias poliméricas menores que as da celulose, embora exerçam função estrutural análoga (FENGEL; WENEGER, 1984) de proporcionar suporte mecânico às fibras de celulose (WIKBERG; MAUNU, 2004). A lignina forma uma rede tridimensional com ligações cruzadas de vários tipos (SALMÉN, 1982), sendo a maior fonte de compostos aromáticos (FENGEL; WENEGER, 1984). Sua composição química, baseada em unidades fenilpropânicas, e sua estrutura macromolecular diferem significativamente da apresentada pela celulose e pela hemicelulose (WINANDY; ROWELL, 2005). Exerce a função de adesivo entre os diversos tecidos da madeira, dando-lhes rigidez e resistência (WINANDY; ROWELL, 2005).

Além dos polímeros citados, a madeira é impregnada por diversas substâncias conhecidas genericamente como extrativos. Essas substâncias são responsáveis por inúmeras características da madeira, embora sua atuação não esteja ainda bem determinada. Nas coníferas, predominam, em diferentes composições, as terebintinas, que são voláteis, e o breu, não volátil. Nas folhosas, a variedade de extrativos é bem maior, englobando compostos fenólicos, aromáticos, taninos, compostos nitrogenados e inúmeros carboidratos (FENGEL; WENEGER, 1984; WIKBERG; MAUNU, 2004; WINANDY; ROWELL, 2005).

Tabela 1
Composição química da madeira

Componentes	Presença
Celulose	40 - 45%
Hemicelulose	( 20%
Lignina	15 - 35%
Outros constituintes	Até 10%

• Fonte: Winandy e Rowell (2005)

Quadro 1
Alterações provocadas termicamente na madeira seca em atmosfera inerte

A madeira, por ser um polímero natural, quando submetida ao fogo, sofre despolimerização e carbonização, alterando suas propriedades mecânicas conforme o nível de temperatura e tempo de exposição ao calor ao qual foi submetida. Esse tema será tratado detalhadamente nas seções a seguir.

Degradação térmica da madeira

É fato conhecido que a madeira, assim como seus derivados, quando submetida à ação do calor, está sujeita a variações físico-químicas, como aquelas sintetizadas por Schaffer (1973) no Quadro 1. O gradiente térmico provocado pelo aquecimento diferencial do material induz a transferência de massa e, consequentemente, a secagem do material. Porém, quando as temperaturas forem elevadas, ocorrerá a despolimerização da madeira com liberação de gases voláteis inflamáveis ou não, a combustão do material lenhoso, a carbonização e a combustão incandescente do carbono fixo (BROWNE, 1958; WINANDY; ROWELL, 2005).

A combustão é a transformação térmica em presença de oxigênio ou ar, em quantidade suficiente para promover sua decomposição completa por uma fonte externa de calor. Quando esta transformação não tem o aporte suficiente de oxigênio, ou o aporte é controlado, ocorre a carbonização, cujo resíduo sólido é o carvão.

Vários trabalhos foram realizados sobre a degradação térmica da madeira, mostrando que o processo de decomposição e a temperatura na qual ela ocorre são dependentes, significativamente, da espécie da madeira (BODÎRLĂU; SPIRIDON; TEACĂ, 2007; PONCSÁK et al., 2006), dos anéis de crescimento (BODÎRLĂU et al., 2007) e do teor de umidade do material. As reações químicas no interior do material são complexas, com reações endotérmicas e exotérmicas ocorrendo simultaneamente tanto no tempo como no espaço.

Durante o aquecimento da madeira, muitos compostos orgânicos voláteis são produzidos e liberados, tais como álcoois, resinas, terpenos. São eles que participam na reação em cadeia durante o processo de combustão da madeira (MANNINEN; PASANEN; HOLOPAINEN, 2002). No início do aquecimento, quando a temperatura da madeira está acima de 100 ºC, as ligações químicas de seus componentes começam a se romper. Entre 100 ºC e 200 ºC há liberação de água, óxidos de carbono e vestígios de produtos biológicos (LEVAN, 1989; SHAFIZADEH, 1985).

Geralmente, o processo de degradação térmica é dividido em cinco fases, com suas respectivas faixas de temperaturas, conforme a Quadro 2. Os locais onde elas ocorrem são ilustrados pela Figura 1 (BABRAUSKAS, 2001, 2004; BROWNE, 1958; SARDINHA; WOLFANGO; VASCONCELOS, 2002; WHITE, 1990, 2006). As primeiras mudanças físico-químicas surgem a partir de 50 ºC (SCHAFFER, 1973). As reações exotérmicas iniciam-se entre 150 ºC e 160 ºC e aumentam com a elevação da temperatura. Acima de 200 ºC, esses fenômenos se refletem na perda acelerada de massa, a qual coincide com a redução da resistência mecânica da madeira decorrente do aumento da temperatura (PONCSÁK et al., 2006).

Os polímeros da madeira apresentam estabilidade térmica diferenciada em função da rede cristalina de cada um. A degradação térmica da celulose ocorre a temperaturas entre 200 ºC e 280 ºC, com uma degradação progressiva que inclui despolimerização e desidratação. A temperaturas superiores a 280 ºC, ocorre uma rápida volatilização dos componentes químicos. Também foi observado que, quando a celulose é tratada termicamente, o teor de umidade retarda a sua degradação térmica (ROFFAEL; SCHALLER, 1971). A degradação térmica da hemicelulose ocorre entre 160 ºC e 260 ºC (FENGEL; WEGENER, 1984; SCHNIEWIND, 1985), sendo o primeiro carboidrato da madeira a se degradar, devido a sua estrutura heterogênea, à natureza não cristalina de sua estrutura e a seu baixo peso molecular em relação aos outros polímeros da madeira. Durante a degradação térmica da hemicelulose, a cristalinidade da celulose aumenta temporariamente e, segundo Kotilainen (2000) e Mangalam (2005), não há geração de gases combustíveis. A lignina é termicamente mais resistente que os demais carboidratos que compõem a madeira. Sua degradação térmica está situada entre 225 ºC e 450 ºC, com a presença de reações exotérmicas. Em torno de 200 ºC, segundo Schniewind (1985), ocorrem reações de desidratação. Entre 150 ºC e 300 ºC ocorre o rompimento das ligações de carbono e, em torno de 300 ºC, as ligações laterais alifáticas começam a romper fora do anel aromático.

A degradação desses polímeros se reflete em perda de massa. Para taxa de aquecimento lenta e atmosfera inerte, a maior perda de massa da celulose ocorre entre 300 ºC e 400 ºC, a da hemicelulose entre 250 ºC e 350 ºC, e a da lignina entre 250 ºC e 450 ºC (ALÉ; KOTILAIMEN; ZAMAN, 2002). Até 600 ºC, a perda de massa alcança mais de 80%, 95% e 60% para a celulose, a hemicelulose e a lignina respectivamente.

Quadro 2
Fases de degradação da madeira

Figura 1
Seção carbonizada de madeira

O conhecimento da perda de massa e das reações endotérmicas e exotérmicas em função da temperatura permite o aprimoramento de modelos numéricos avançados usados para a determinação do campo de temperatura em elementos de madeira submetidos ao fogo. Esses modelos podem considerar a variação da massa específica em função da temperatura e, também, as fontes de massa de geração de calor nas mesmas temperaturas que ocorrem as reações exotérmicas.

Taxas de carbonização

O carvão é um subproduto da combustão parcial da madeira, apresentando resistência mecânica desprezível. A taxa com a qual a madeira é convertida em carvão é denominada taxa de carbonização e serve para avaliar a resistência ao fogo de estruturas de madeira, visto que, de modo indireto, ela indica a redução da seção transversal dos elementos estruturais. Esse parâmetro, geralmente, é determinado por meio de testes de incêndio com elementos estruturais em tamanho real, nos quais a elevação da temperatura dos gases quentes segue as prescrições de curvas padrão de incêndio, tais como a das normas ISO 834 (1975) e ASTM E 119-08a (2009).

A temperatura de carbonização da madeira, para a determinação da taxa de carbonização para o cálculo estrutural em situação de incêndio, é um valor convencional para o qual não existe unanimidade até o momento. Na literatura, são encontrados valores entre 288 ºC e 360 ºC, sendo adotada pelo Eurocódigo 5, Parte 1-2, (2002) a temperatura de 300 ºC como aquela de carbonização da madeira (BUCHANAN, 2001; COLLIER, 1992; LIE, 1977; NJANKOUO; DOTREPPE; FRANSSEN, 2004; SCHAFFER, 1967).

Existem vários fatores que influenciam a taxa de carbonização. Podem ser citados a massa específica, o teor de umidade, a espécie de madeira, as dimensões das peças de madeira, a forma da seção transversal e a intensidade do fluxo de calor (BUCHANAN, 2001; MIKKOLA, 1990; NJANKOUO; DOTREPPE; FRANSSEN, 2004; PINTO, 2005; SCHAFFER, 1967; WHITE, 1988). A massa específica afeta significativamente a taxa de carbonização. Quanto maior a massa específica da madeira, menor é a taxa de carbonização (MIKKOLA, 1990; NJANKOUO; DOTREPPE; FRANSSEN, 2004). O teor de umidade da madeira é um fator importante na taxa de carbonização, retardando o processo de combustão até a evaporação da água presente no material (SCHAFFER, 1967; WHITE, 1988; MIKKOLA, 1990; NJANKOUO; DOTREPPE; FRANSSEN, 2004). A influência desses dois parâmetros pode ser constatada pelo trabalho de Njankouo, Dotreppe e Franssen (2004). Eles determinaram a taxa de carbonização de espécies tropicais de folhosas com massa específicas entre 500 e 1.000 kg/m³ e teor de umidade entre 9% e 20%, de acordo com a curva de incêndio padrão da ISO 834 e temperatura convencional de carbonização de 300 ºC. Os valores obtidos estão situados entre 0,37 e 0,71 mm/min, conforme ilustra a Figura 2.

A influência do fluxo de calor sobre a taxa de carbonização é apresentada na Figura 3 podendo ser notada a não-linearidade do fenômeno (BUTLER¹, 1971 apudDRYSDALE, 1998).

As dimensões e forma da seção transversal das peças de madeira também influenciam a taxa de carbonização. Para peças pequenas, a taxa de carbonização é maior que para peças grandes, visto que peças pequenas apresentam maior superfície específica que peças grandes. Segundo Buchanan (2001) e Pinto (2005), em peças de seção transversal retangular, a taxa de carbonização é maior do que em peças de seção circular, visto que existe maior área de exposição ao calor nas arestas do material. Eles também afirmam que a taxa de carbonização inicial é maior, estabilizando-se, após, em um valor constante, devido à camada protetora carbonizada oriunda do processo de combustão.

Segundo Schaffer (1967), White (1988) e Pinto (2005), assumir uma taxa constante de carbonização não é apropriado, principalmente para peças de dimensões pequenas, visto que os primeiros milímetros de carbonização podem representar uma porção significativa da seção transversal.

Alguns pesquisadores desenvolveram modelos de carbonização da madeira, considerando alguns dos fatores mencionados acima e seguindo a curva de incêndio padrão da norma americana ASTM E 119-08a (2009).

Schaffer (1967) propôs um modelo em função do teor de umidade e da massa específica para as espécies Pseudotsuga menziesii, Pinus spp e Quercus spp, dado pela Eq. 1.

$t=\mathit{C\; .}{x}_c$ (1)

onde t é tempo, em min; C é taxa de carbonização, em min/mm; e x _c é espessura de madeira carbonizada, em mm. A taxa de carbonização (C) foi determinada considerando-se a temperatura convencional de carbonização de 288 ºC, resultando a Eq. 2 para o Pseudotsuga menziesii, a Eq. 3 para o Pinus spp e a Eq. 4 para o Quercus spp.

$C=\left(\mathrm{0,002269}+\mathrm{0,00457}\mathit{\mu }\right)\rho +\mathrm{0,331}$ (2)

$C=\left(\mathrm{0,000461}+\mathrm{0,00095}\mathit{\mu }\right)\rho +\mathrm{1,016}$ (3)

$C=\mathrm{0,001583}+\mathrm{0,00318}\mathit{\mu })\rho +\mathrm{0,594}$ (4)

nas quais μ é o teor de umidade, em %, e ρ é a massa específica da madeira, em kg/m³.

Figura 2
Taxa de carbonização

Figura 3
Taxa de carbonização

O modelo proposto por White (1988), para peças de grandes dimensões, foi baseado em 8 espécies de madeiras, sendo 4 coníferas (Southem pine, Westem red cedar, Redwood, Engelman spruce) e 4 folhosas (Basswood, Hard maple, Red oak, Yellow popla) (Tabela 2) e é dado pela Eq. 5. Nesse modelo, a taxa de carbonização foi determinada em função da massa específica anidra, do teor de umidade e do fator de contração do carvão, adotando-se a temperatura de 288 ºC para a carbonização da madeira.

$t={\mathit{mx}}^{\mathrm{1,23}}$ (5)

$m=­\mathrm{0,146}+\mathrm{0,000564}\rho +\mathrm{1,2}\mu +\mathrm{0,53202}{f}_c$ (6)

onde m é a taxa de carbonização, em min/mm^1,23; ρ é a densidade anidra; e f _c é o fator de contração do carvão.

Lie (1977) propõe valores de 0,40 mm/min, de 0,60 mm/min e de 0,80 mm/min para folhosas úmidas, coníferas de densidade média e madeiras leves e secas respectivamente. Contudo, para madeira serrada e madeira laminada colada (MLC) de uso estrutural, o autor propõe o valor de 0,635 mm/min.

Collier (1992) constatou que a suposição de uma taxa de carbonização de 0,60 mm/min é válida somente para madeiras com massa específica superior a 600 kg/m³ e teor de umidade de 12%, e que a determinação da taxa de carbonização baseada na densidade da madeira seria mais confiável, especialmente para madeiras de menor densidade.

Buchanan (2001) propõe uma taxa nominal de carbonização de 0,65 mm/min, resultado confirmado para estrutura pesada de grande seção. Para espécies cultivadas no Brasil, existem poucos resultados na literatura. Pinto (2005) apresenta valores de taxa de carbonização para a espécie Eucalyptus citriodora e Eucalyptus grandis, para teor de umidade aproximado de 24% e massa específica de 1.060 e 880 kg/m³ respectivamente. Os ensaios foram realizados em peças estruturais com exposição ao fogo em 4 faces, obtendo valores de 0,58 mm/min para ambas as espécies. Landesmann et al. (2008) obtiveram, em ensaios com painel radiante, valores de taxa de carbonização de 0,81 mm/min para Schizolobium amazonicum com massa específica de 365 kg/m³ e 12% teor de umidade.

Os valores de taxa de carbonização encontrados na literatura estão reunidos na Tabela 2. Verifica-se que eles variam de acordo com a espécie, a massa específica, o teor de umidade e a natureza do elemento de madeira.

Tabela 2
Taxas de carbonização

Espécie da	madeira	Massa específica (kg/m³)	Taxa de carbonização linear (mm/min)	Taxa de não linear	Carbonização (mm/min)	Arredonda-mento	Espessura da camada carbonizada (mm)	Bibliografia
				Β 0	Β n
	Southem pine	509	1,24	0,56
	Westem red cedar	310	1,22	0,56
Coníferas	Redwood	343	1,28	0,58
	Engelman spruce	425	1,56	0,70				Wood handbook (1999)
	Basswood	399	1,06	0,48
	Hard maple	691	1,46	0,66
Folhosas	Red oak	664	1,59	0,72
	Yellow poplar	504	1,36	0,61
Eucalyptus	citriodora	1060		0,58				Pinto (2005)
Eucalyptus	grandis	880		0,58
Schizolobium	amazonicum	365		0,81				Manríquez (2008)
Coníferas e	MLC	≥ 290		0,65	0,70
faia:	Madeira maciça	≥ 290		0,65	0,80
Folhosas	Madeira maciça ou MLC	≥ 290		0,65	0,70	D char,n =ϐ n .t	D char,n =ϐ n .t
	Madeira maciça ou MLC	≥ 450		0,50	0,55			Eurocódigo 5
LVL		≥ 480		0,65	0,70
	Lambris	≥ 450		0,90
Paineis	Compensado	≥ 450		1,0
	Derovados de madeira	≥ 450		0,90
				0,70
Madeira espruce, negro, marítimo, carvalho,	natural: pinheiro- pinheiro- hemlock, douglas, etc.	pinheiro, silvestre, larício, álamo,	abeto, pinheiro- pinho- castanheiro,	0,70		Se: t>30min, r=t.ϐ 0 /2=15.ϐ 0
Folhosas:, makoré.	carvalho,	doussie	sipo, teca,	0,50
Outras	espécies de	folhosas ou	coníferas	0,60				Norma Francesa
Todas as BS da 5268:	estruturas Parte 2:1989.	listadas no	apêndice A	0,67		Se : t>30 mim b<50 mm r=t.b 0	dc = ϐ 0 ,t
Cedro-	vermelho-do-	nordeste.		0,83				Norma Britânica
Folhosas, teor	de umidade	de 18%,	650 kg/m3	0,50

Influência da temperatura sobre os polímeros da madeira

Vários trabalhos foram realizados sobre a influência da temperatura nos polímeros da madeira, principalmente sobre seu amolecimento, o qual é caracterizado pela temperatura de transição vítrea (BACK; SALMÉN, 1982; BHUIYAN; HIRAI; SOBUE, 2000; FENGEL, 1967; FENGEL; WEGENER, 1984; GORING, 1963; HATAKEYAMA; HATAKEYAMA; NAKANO, 1974; IRVINE, 1984; MANGALAM, 2005; ZERONIAN, MENEFEE, 1976; PONCSÁK et al., 2006; SALMÉN, 1982; SCHAFFER, 1973; SIVONEN et al., 2002; YANO; HATAKEYAMA; HATAKEYAMA, 1976; YILDIZ; GÜMÜSKAYA, 2007; OLSSON; SALMÉN, 1997). A transição vítrea é a passagem de um estado desordenado rígido (vítreo) do polímero para um estado desordenado maior, no qual as cadeias poliméricas possuem uma maior mobilidade. Essa mobilidade, no caso de algumas classes de polímeros naturais como a hemicelulose, a celulose e a lignina, dá origem a um comportamento menos rígido.

A lignina e a hemicelulose são polímeros amorfos e essencialmente termoplásticos para os quais o principal ponto de amolecimento é aquele da transição vítrea. As transições vítreas da madeira estão ligadas à temperatura, ao teor de umidade, ao peso molecular do polímero, à natureza do material, se ele está em sua forma isolada ou se está na forma de madeira, na forma cristalina ou amorfa.

A transição vítrea a seco dos polímeros da madeira ocorre preferencialmente a altas temperaturas, quando a taxa de degradação dos polímeros é significativa. Para a celulose, a temperatura de transição situa-se entre 200 ºC e 250 ºC. Para as hemiceluloses, a transição vítrea é observada na faixa de 150 ºC a 220 ºC. Segundo Salmén (1982), a amplitude da faixa de temperatura é, em parte, devida a diferenças na composição química e no teor de umidade e à existência de grupos flexíveis que reduzem o empacotamento das fibras do polímero. Para a lignina in situ, a transição vítrea ocorre a temperaturas superiores a 205 ºC (BACK; SALMÉN, 1982) e é influenciada pelo peso molecular do polímero, em decorrência do aumento do grau de ligações cruzadas (GORING, 1963; ZERONIAN; MENEFEE, 1976). Quando o teor de umidade aumenta, a temperatura da transição vítrea se desloca na direção das temperaturas inferiores, tendendo a uma temperatura-limite, na qual a umidade não exerce um efeito significativo. Para várias espécies, a transição vítrea da lignina in situ, no ponto de saturação das fibras, ocorre em zona compreendida entre 60 ºC e 90 ºC (IRVINE, 1984).

O amolecimento dos polímeros é acompanhado de mudanças importantes nas propriedades mecânicas do material, principalmente do módulo de elasticidade (BACK; SALMÉN, 1982; IRVINE, 1984), influindo no desempenho mecânico da madeira.

Influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas da madeira

Vários trabalhos foram realizados para determinar a influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas da madeira submetida a altas temperaturas (GERHARDS, 1982; GREEN; WINANDY; KRETSCHMANN, 1999; KNUDSON; SCHNIEWIND, 1975; KOLLMANN; CÔTÉ, 1968 LAU; BARRET, 1979; MANRÍQUEZ, 2008; MORAES, 2003; MORAES; ROGAUME; TRIBOULOT, 2005; NYMAN, 1980; OHSAWA; YONEDA, 1978; OSTMAN, 1985; PESCADOR, 2008; PREUSSER, 1968; SANO, 1961; SCHAFFER, 1967, 1973, 1986). Essa influência pode se manifestar por meio de efeitos temporários e efeitos permanentes, os quais dependem do grau de degradação do material causado pela exposição ao calor e pela temperatura.

Os efeitos permanentes não desaparecem depois do resfriamento da madeira e ocorrem a temperaturas superiores a 65 ºC, sem perda significativa de peso dos carboidratos. Dependem da temperatura e do teor de umidade da madeira e são oriundos, provavelmente, das reações de despolimerização, nas quais a ruptura das ligações químicas começa a ocorrer a temperaturas superiores a 100 ºC. Os efeitos permanentes se manifestam pela perda do peso dos carboidratos, perda de água de adesão e pelo amolecimento da lignina (ATREYA, 1983; BRYDEN, 1998; BROWNE, 1958; MILLER; BELLAN, 1996; SHAFIZADEH, 1985) e refletem diretamente nas propriedades mecânicas da madeira.

A seguir, são apresentados os resultados relativos à influência da temperatura sobre a resistência à compressão, à tração, ao cisalhamento, ao embutimento paralelo e perpendicular às fibras, ao arrancamento de pregos e ao módulo de elasticidade à compressão e à flexão, normalizados em relação àqueles obtidos à temperatura ambiente.

Resistência à compressão paralela às fibras

A Figura 4 ilustra os resultados obtidos por Schaffer (1973) e Knudson e Schniewind (1975), para a espécie Pseudotsuga menziesii, e por Manríquez (2008), para a espécie Schizolobium amazonicum. Knudson e Schniewind (1975) utilizaram amostras com teor de umidade de 12% e corpos-de-prova de 0,48 cm ( 0,48 cm ( 1,90 cm aquecidos superficial, por placas quentes entre 5 min a 20 min. Manríquez (2008) utilizou amostras com umidade de 12% e corpos-de-prova de 5 cm ( 5 cm ( 15 cm aquecidos no forno elétrico durante 180 min. Os resultados obtidos por ambos os pesquisadores foram similares, detectando diferenças apenas na temperatura em torno de 150 ºC. Esse fenômeno pode estar associado ao tamanho dos corpos-de-prova e ao modo como eles foram aquecidos.

Os resultados apresentados por Schaffer (1973) são superiores aos obtidos por Manríquez (2008) na faixa de 25 ºC a 50 ºC. Essa diferença pode estar associada ao teor de umidade das amostras. A utilizada por Schaffer (1973) apresenta teor de umidade de 0%, enquanto a de Manriquez (2008) apresenta 10%. A partir de 140 ºC os resultados apresentados por Schaffer (1973) são inferiores aos dos outros autores, provavelmente devido ao teor de umidade zero dos corpos-de-prova desse pesquisador ter permitido uma degradação mais rápida dos polímeros da madeira, refletindo-se na perda de resistência.

Resistência à tração paralela às fibras

A Figura 5 exibe os resultados de Schaffer (1973), Knudson e Schniewind (1975), Lau e Barrett (1979), Ostman (1985) e Manríquez (2008). Schaffer (1973) e Knudson e Schniewind (1975) estudaram a espécie Pseudotsuga menziesii. Porém, Schaffer (1973) empregou amostra com massa específica entre 432 e 522 kg/m³, teor de umidade 0% e corpos-de-prova de 3,2 mm de espessura e 25,4 mm de largura, enquanto Knudson e Schniewind (1975) utilizaram amostra com massa específica entre 420 e 570 kg/m³, 12% de teor de umidade e corpos-de-prova com seção transversal de 48 mm. Lau e Barrett (1979) realizaram ensaios com amostra de Pinus sylvestris de massa específica entre 500 e 590 kg/m³, teor de umidade entre 7% e 11%, com corpos-de-prova de 90 mm por 35 mm. Ostman (1985) estudou o abeto vermelho com teor de umidade de 12% e massa específica entre 400 e 490 kg/m³, com corpos-de-prova de 1 mm por 10 mm de seção transversal. Manríquez (2008) estudou o Schizolobium amazonicum com teor de umidade de 12% e massa específica entre 283 e 443 kg/m³ e corpos-de-prova de 5 mm por 20 mm de seção transversal.

Os resultados obtidos por Schaffer (1973) são superiores àqueles apresentados pelos outros autores, devido, provavelmente, ao teor de umidade inicial dos corpos-de-prova utilizados por ele. Observa-se que a tendência dos resultados obtidos por Knudson e Schniewind (1975), Lau e Barrett (1979) e Ostman (1985) são similares, embora as características físicas e anatômicas das espécies estudadas sejam diferentes. Os resultados obtidos por Manríquez (2008) chamam a atenção por apresentarem valores médios que diferem consideravelmente dos demais.

Resistência ao cisalhamento

Na Figura 6 são apresentados os resultados obtidos por Ohsawa e Yoneda (1978) para amostras úmidas, por Sano (1961) para amostras secas, ambos apresentados por Gerhards (1982) e por Manríquez (2008) com 12% de teor de umidade à temperatura ambiente.

Os resultados obtidos por Manríquez (2008) permanecem praticamente constantes entre 20 ºC e 90 ºC, diferindo consideravelmente daqueles obtidos na literatura. Essa diferença, provavelmente, está relacionada com o teor de umidade no momento do ensaio e com a metodologia empregada. O teor de umidade dos corpos-de-prova de Manríquez (2008) era de 12% a 20 ºC e estavam praticamente anidros a 100 ºC. O modelo de corpo-de-prova utilizado por Manríquez (2008) era o proposto Szücs et al. (1998), enquanto o dos outros autores era o da norma ASTM.

A tendência dos resultados apresentados por Sano (1961), oriundos de amostras secas, é similar à tendência dos resultados obtidos por Manríquez (2008) entre 100 ºC e 230 ºC, quando as amostras desse último estavam com baixo teor de umidade ou praticamente anidras.

Figura 4
Compressão paralela às fibras relativa

Figura 5
Resistência ao cisalhamento paralelo às fibras relativa

Figura 6
Resistência ao embutimento paralelo às fibras relativa

Resistência ao embutimento paralelo e perpendicular às fibras

As Figuras 7 e 8 apresentam os resultados obtidos por Moraes et al. (2005) e Manriquez (2008) para o embutimento paralelo (f _e,0 ) e perpendicular (f _e,90 ) às fibras respectivamente. Moraes, Rogaume e Triboulot (2005) utilizaram amostras de Pinus sylvestris com teor de umidade de 11% e massa específica entre 489 e 680 kg/m³, enquanto Manríquez (2008) utilizou amostras de Schizolobium amazonicum com teor de umidade de 12% e massa específica entre 303 e 454 kg/m³. As dimensões dos corpos-de-prova de ambos as pesquisas eram de 2,5 cm ( 6,0 cm ( 14,0 cm.

Os resultados obtidos por Manríquez (2008) são similares aos obtidos por Moraes, Rogaume e Triboulot (2005) para embutimento paralelo às fibras (f _e,0 ). Para o embutimento perpendicular (f _e,90 ), as diferenças entre os resultados dos dois estudos são maiores. Elas podem estar associadas às características anatômicas das espécies utilizadas. A espécie estudada por Moraes, Rogaume e Triboulot (2005) é uma conífera, enquanto a estudada por Manríquez (2008) é uma folhosa.

Percebe-se que, para os embutimentos paralelo e perpendicular, a redução dos valores não é monotônica, apresentando um mínimo relativo de aproximadamente 25% a 80 ºC. A 240 ºC, essa redução chega a quase 60%. Os pesquisadores verificaram que o teor de umidade e a temperatura influem consideravelmente na resistência ao embutimento da madeira.

Figura 7
Resistência ao embutimento paralelo às fibras relativo

Figura 8
Resistência ao embutimento perpendicular às fibras relativo

Resistência ao arrancamento de pregos

A Figura 9 apresenta os resultados de resistência ao arrancamento normalizada obtidos por Pescador, Manríquez e Moraes (2008). Eles realizaram ensaios de arrancamento, segundo a norma chilena NCh 979 (1986), para 15 níveis de temperatura entre 20 ºC e 230 ºC, com amostras de Schizolobium amazonicum com umidade de 12% e massa específica situada entre 342 e 511 kg/m³. Os corpos-de-prova eram de 5 cm ( 5 cm ( 15 cm e os pregos de aço com diâmetro de 3,2 mm e comprimento de 65 mm, cravados a uma profundidade de 45 mm.

Observou-se que, em temperaturas relativamente baixas, entre 50 ºC e 60 ºC, a resistência média ao arrancamento nas três direções anatômicas da madeira apresenta uma redução entre 20% e 30% da resistência à temperatura ambiente. A 150 ºC, a redução é máxima, situando-se entre 70% e 80%.

Módulo de elasticidade à compressão paralelo às fibras

A Figura 10 apresenta valores do módulo de elasticidade à compressão paralela às fibras normalizado, obtidos por Preusser (1968), Schaffer (1973), Nyman (1980) e Ostman (1985). Os resultados mostram que o efeito da temperatura sobre o módulo de elasticidade apresenta um comportamento aproximadamente linear até 180 ºC. Preusser (1968 apud GERHARDS, 1982) mostra valores próximos a zero para uma temperatura de 250 ºC, enquanto os resultados apresentados por outros autores ainda têm uma porcentagem entre 50% e 70% do módulo da elasticidade relativo.

Figura 9
Resistência ao arrancamento relativo

Figura 10
Módulo de elasticidade à compressão relativo

Módulo de elasticidade na flexão

A Figura 11 apresenta valores médios do módulo de elasticidade obtidos por Moraes (2003) em ensaios de flexão em três pontos, usando microcorpos-de-prova da espécie Pinus sylvestris de dimensões 0,43 mm ( 5,0 mm ( 20,0 mm. Entre 25 ºC e 100 ºC, percebe-se que os valores obtidos são superiores àqueles obtidos à temperatura ambiente. Isso pode ser atribuído à redução do teor de umidade dos corpos-de-prova durante a realização do ensaio devido às dimensões reduzidas deles, refletindo no aumento do módulo de elasticidade.

Discussão

A revisão bibliográfica efetuada mostra que a temperatura e o teor de umidade influenciam de forma inversa as propriedades mecânicas da madeira. Segundo Chafe (1979), a redução da resistência da madeira em função da temperatura tem relação com a degradação térmica de seus componentes e a formação de fendas internas durante o processo de secagem dela.

A influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas indica a necessidade de se considerar um fator de redução da resistência para estruturas expostas ao calor prolongado, seja ele oriundo de fatores climáticos ou de uma situação de incêndio. Verifica-se que, para temperaturas próximas a 60 ºC, algumas propriedades exibem redução de aproximadamente 25% em relação ao valor apresentado a 20 ºC. A norma americana NDS (1997) prevê a utilização de um fator de segurança relacionado à influência da temperatura nas propriedades mecânicas da madeira em função do teor de umidade, que pode chegar a 0,5 para madeiras úmidas e submetidas a temperaturas entre 52 ºC e 65 ºC, conforme ilustrado na Tabela 3.

Tabela 3
Fator de redução das propriedades mecânicas devido à temperatura

Resistência	Condições em uso	Temperatura	permanente
		37 ºC < T ( 52 ºC	52 ºC < T ( 65 º
EI, E05I, EA	Seca ou úmida	0,9	0,9
Outras propriedades e	Seca	0,8	0,7
ligações	Úmida	0,7	0,5

• Fonte: NDS (1997)

A norma brasileira NBR 7190 (1997) não apresenta esse fator. Portanto, caberá ao comitê responsável pela revisão da referida norma indicar o uso desse valor, após estudos mais detalhados para as madeiras brasileiras.

Conclusões

Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica abrangente sobre o comportamento da madeira em situação de incêndio, na qual são discutidos assuntos como degradação térmica, taxas de carbonização, influência da temperatura sobre os polímeros da madeira e influência da temperatura sobre as propriedades mecânicas da madeira.

Esta pesquisa leva às seguintes conclusões:

1. o conhecimento do comportamento da madeira submetida a temperaturas elevadas permite o desenvolvimento de modelos numéricos avançados para a modelagem do comportamento das estruturas de madeira em situação de incêndio;

2. a madeira, quando exposta ao calor, apresenta a degradação térmica de seus polímeros, a redução de suas propriedades mecânicas e a carbonização de sua superfície;

3. as taxas de carbonização das madeiras variam conforme a massa específica, o teor de umidade, a espécie de madeira, as dimensões da peças de madeira, a forma da seção transversal e a intensidade do fluxo de calor. Em geral, situam-se entre 0,37 e 0,80 mm/min. Os valores próximos a 0,37 são para madeiras mais densas e teores de umidade mais elevados, enquanto os próximos a 0,80 mm/min são para madeiras secas e com baixa massa específica. Os valores mais recomendados para o projeto de estruturas de madeira laminada colada (MLC) são próximos a 0,65 mm/min; e

4. a redução das propriedades mecânicas em função da temperatura indica a necessidade de empregar um fator redutor das propriedades obtidas à temperatura ambiente.

Figura 11
Módulo de elasticidade na flexão relativo

Notas

• 1
  BUTLER, C.P. Notes on Charring Rates in Wood. Fire Research Note, Borehamwood, n. 896, 1971.
• 2
  BUTLER, C.P. Notes on Charring Rates in Wood. Fire Research Note, Borehamwood, n. 896, 1971.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Brasil, e à Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), Portugal, pelo apoio a esta pesquisa.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  08 Jan 2021
• Data do Fascículo
  Oct-Dec 2009

Histórico

• Recebido
  24 Jul 2009
• Aceito
  05 Nov 2009