Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

A madeira está fazendo um retorno silencioso, mas poderoso, à silhueta das cidades modernas. Durante décadas, a indústria da construção favoreceu o aço e o concreto, materiais que não queimam, enquanto a madeira era relegada a estruturas menores. Hoje, no entanto, engenheiros estão recorrendo cada vez mais à madeira de engenharia (mass timber), um material feito pela sobreposição de painéis de madeira sólida para criar vigas e paredes fortes o suficiente para suportar edifícios altos. Essa mudança é impulsionada pelo desejo de reduzir a pegada de carbono da construção, já que a madeira armazena carbono em vez de emiti-lo durante a produção. No entanto, uma questão fundamental permanece: se um edifício feito de madeira pegar fogo, como ele se comportará? Ao contrário do aço, que enfraquece quando aquecido, a madeira queima de uma forma previsível, formando uma camada de carvão em sua superfície que pode isolar o núcleo interno e permitir que a estrutura permaneça de pé por muito tempo. O desafio para os reguladores de segurança é determinar exatamente quanta dessa madeira pode ser deixada exposta ao ar dentro de uma sala sem comprometer a segurança das pessoas dentro dos edifícios ou dos edifícios vizinhos.

Uma equipe de pesquisadores da França, Canadá e Suécia abordou essa questão desenvolvendo uma nova maneira de calcular a segurança contra incêndio para essas estruturas de madeira. Em vez de depender de regras rígidas e universais que frequentemente exigem cobrir toda a madeira com gesso resistente ao fogo, eles usaram uma simulação de computador para modelar milhares de diferentes cenários de incêndio. Eles trataram o fogo não como um evento único, mas como uma ocorrência aleatória que depende de muitas variáveis: quanto mobiliário e papel há na sala, o tamanho das janelas, se o corpo de bombeiros chega rapidamente e quanta madeira é deixada nua versus coberta. Ao executar essas simulações repetidamente, eles puderam calcular a probabilidade estatística de um edifício sobreviver a um incêndio sem colapsar ou espalhar chamas para o exterior. O trabalho deles foca especificamente em edifícios de escritórios, uma tipologia comum onde o equilíbrio entre a segurança e o desejo pela estética da madeira exposta é mais debatido.

Os pesquisadores construíram uma ferramenta digital que imita a física de um incêndio em uma sala. Eles começaram reconhecendo que o fogo é imprevisível. Em suas simções, eles variaram a quantidade de combustível, o tamanho da sala e o tempo que os bombeiros levavam para chegar. Eles também levaram em conta o comportamento único da madeira de engenharia. Quando a madeira queima, ela carboniza, e essa camada de carvão atua como um escudo. No entanto, se a madeira estiver coberta por placas protetoras como o gesso, essa proteção pode falhar se as placas caírem devido ao calor. A equipe rastreia isso cuidadosamente, calculando quando a camada protetora pode falhar e o quanto a madeira exposta contribuiria então para a intensidade do incêndio. Eles também incluíram o papel dos sprinklers, que podem controlar o fogo antes que ele cresça demais, e as ações do corpo de bombeiros, cuja capacidade de apagar um incêndio diminui conforme o fogo fica mais quente e intenso.

Para testar seu método, a equipe o aplicou a um compartimento de escritório padrão. Eles realizaram 15.000 simulações separadas para cada cenário, efetivamente pedindo ao computador para imaginar 15.000 incêndios diferentes acontecendo naquela sala ao longo da vida útil do edifício. Eles estabeleceram uma meta de segurança rigorosa: a chance de o edifício falhar deve ser inferior a um limite específico que é considerado aceitável para a segurança pública. Esse limite corresponde a um nível de segurança usado em toda a Europa para edifícios onde as pessoas se reúnem. Eles testaram três níveis diferentes de resistência ao fogo estrutural, que representam quanto tempo o edifício precisa permanecer de pé durante um incêndio: 60 minutos, 90 minutos e 120 minutos. Para cada nível, eles testaram diferentes quantidades de madeira exposta, variando de 30% a 90% da superfície da parede, com e sem sprinklers.

Os resultados ofereceram um caminho claro para os designers. Para edifícios que exigem 60 minutos de resistência ao fogo, as simulações mostraram que deixar 30% da superfície da parede como madeira exposta era seguro, mesmo sem sprinklers. Se os sprinklers fossem adicionados, essa porcentagem poderia ser aumentada para 60%. Para edifícios que exigem 90 minutos de resistência, o limite seguro de madeira exposta subiu para 60% sem sprinklers e 75% com eles. O caso mais complexo foi o requisito de 120 minutos, típico de edifícios muito altos. Aqui, os pesquisadores descobriram que deixar 75% da superfície da parede exposta era seguro, desde que os sprinklers estivessem presentes. Sem os sprinklers, o risco de o fogo se espalhar para fora do edifício tornou-se uma preocupação, mas com os sprinklers, o sistema resistiu aos alvos de segurança.

Uma descoberta crítica do estudo foi que o risco de o fogo se espalhar para edifícios vizinhos ou subir pela lateral do edifício era geralmente baixo, desde que a quantidade de madeira exposta permanecesse dentro desses limites calculados. Nas simulações para os edifícios mais altos, o calor irradiado pelas janelas ocasionalmente atingia um nível que poderia inflamar estruturas próximas, mas isso só acontecia em cenários extremos e raros, onde o incêndio era excepcionalmente grande e os sprinklers falhavam em controlá-lo. Quando os pesquisadores ajustaram a distância para um valor mais realista de 15 metros para edifícios altos, o risco caiu para um nível aceitável. Isso sugere que as regras rígidas atuais, que frequentemente exigem que toda a madeira seja coberta, podem ser mais conservadoras do que o necessário. O estudo indica que, com a combinação certa de sprinklers e uma quantidade calculada de madeira exposta, edifícios altos de madeira podem atender aos mesmos altos padrões de segurança que as estruturas tradicionais.

Os pesquisadores foram cuidadosos ao notar que seu trabalho é baseado em modelos de computador, não em testes de fogo físicos em cada um dos cenários. Eles validaram sua ferramenta contra 54 experimentos de fogo do mundo real realizados ao redor do mundo, e as previsões do computador coincidiram de perto com os resultados do mundo real, muitas vezes errando pelo excesso de cautela. Isso dá confiança em seus resultados, mas eles também identificaram áreas para melhorias futuras. Por exemplo, eles observaram que o comportamento das placas protetoras e a maneira como o calor se move através da madeira durante a fase de resfriamento de um incêndio poderiam ser modelados de forma ainda mais precisa. Eles também sugeriram que as regras futuras deveriam considerar fatores como a velocidade do vento e a localização específica do incêndio dentro de um edifício, que poderiam afetar a rapidez com que os bombeiros poderiam intervir.

Em última análise, este estudo fornece uma base científica para uma abordagem mais flexível de construção com madeira. Ele demonstra que a segurança não exige esconder o material; em vez disso, exige entender como o material se comporta sob estresse. Ao usar métodos probabilísticos, engenheiros podem agora projetar edifícios que expõem mais a bela e sustentável madeira, enquanto garantem que a estrutura não falhará e o fogo não se espalhará. O trabalho sugere que, para edifícios de escritórios, é possível deixar uma parte significativa das paredes e tetos de madeira expostos, desde que medidas de segurança ativas, como sprinklers, estejam em vigor e o design siga os limites específicos calculados por este novo método. Isso abre as portas para que arquitetos criem espaços que pareçam mais acolhedores e naturais, sem sacrificar os rigorosos padrões de segurança que protegem o público.