Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

Resumo Técnico: Análise Computacional de Madeira Lamelada Cruzada (CLT) sob Temperaturas Elevadas

Definição do Problema
A Madeira Lamelada Cruzada (CLT) está experienciando um crescimento exponencial na construção civil devido à sua sustentabilidade, estabilidade dimensional e vantagens de pré-fabricação. No entanto, a falta de uma compreensão abrangente sobre seu comportamento termomecânico sob condições de incêndio dificulta sua aplicação generalizada. Embora a madeira naturalmente forme uma camada de carbonização protetora que isola o núcleo interno, o desempenho da CLT é complexo devido à sua estrutura de camadas ortogonais, propriedades adesivas e ao uso de conectores metálicos (parafusos, pregos), que podem atuar como pontes térmicas. Quando expostos a altas temperaturas, os conexões metálicos perdem resistência, podendo comprometer todo o sistema estrutural. As normas de projeto atuais, como o Eurocode 5, fornecem métodos de cálculo para carbonização, mas requerem maior validação em relação à interação entre variações de espessura de camada, transferência de calor e integridade das conexões.

Metodologia
Este estudo empregou simulação computacional utilizando o software Ansys para analisar o comportamento termomecânico de painéis de piso de CLT sob exposição ao fogo. A pesquisa utilizou o Método de Elementos Finitos (MEF) com os seguintes parâmetros:

• Espécimes: Três configurações de painéis (P1, P2, P3) com 3, 5 e 7 camadas, respectivamente. As espessuras totais foram de 10 cm, 16 cm e 22 cm. Os painéis foram modelados utilizando Pinus spp. (Classe de Resistência C24) com adesivos à base de poliuretano.
• Geometria e Carregamento: Os painéis mediam 40x60 cm. Uma carga uniformemente distribuída (considerando o peso próprio e cargas acidentais) foi aplicada, variando ligeiramente conforme a espessura do painel (6,19 a 6,86 kN/m²).
• Conectores: Foram utilizados parafusos HBS ø 10TX80, espaçados em intervalos de 10 cm, assumindo-se contato colado entre o aço e a madeira para simular a interação mecânica e a transferência de calor.
• Exposição ao Fogo: As simulações seguiram a curva de temperatura-tempo da norma ISO 834-1. Os painéis foram expostos a temperaturas variando de 200°C a 1200°C por uma duração de 60 minutos (3600 segundos).
• Estágios de Análise: Foi realizada uma análise sequencial de dois estágios: primeiro, uma análise térmica transiente para determinar a distribuição de temperatura; segundo, uma análise mecânica incorporando o campo de temperatura resultante para avaliar deslocamentos e tensões.
• Monitoramento: Nove pontos nodais foram definidos ao longo da espessura do painel (externo, interno e central) para rastrear gradientes de temperatura e penetração de calor.

Principais Resultados

• Penetração Térmica e Carbonização: À medida que a temperatura aumentava, observava-se a transferência de calor para o interior da seção transversal. O painel de 3 camadas (P1) exibiu penetração significativa de calor, com temperaturas internas aproximando-se do limiar de carbonização (aprox. 300°C) na marca de 45 minutos. Em contraste, os painéis de 5 camadas (P2) e 7 camadas (P3) mostraram evolução térmica limitada; as camadas externas carbonizadas isolaram efetivamente o núcleo interno, mantendo as temperaturas internas significativamente mais baixas (ex: os pontos internos do P3 permaneceram abaixo de 70°C mesmo com exposição externa de 1200°C).
• Temperaturas dos Conectores: Os parafusos metálicos atuaram como pontes térmicas, mas o número de camadas circundantes influenciou significativamente sua temperatura. No P1, as temperaturas dos parafusos atingiram um máximo de 162,3°C. No P2 e P3, as temperaturas máximas dos parafusos foram 126,3°C e 175,9°C, respectivamente (notando que o valor mais alto do P3 ocorreu na ponta mais próxima do fogo, embora o texto indique que o P1 geralmente apresentava maior interferência interna). Crucialmente, em todos os casos, as temperaturas dos parafusos permaneceram abaixo do limiar de 200°C frequentemente citado como o limite para manter as propriedades do conector, embora o estudo observe que efeitos térmicos indiretos ainda podem influenciar a capacidade mecânica.
• Deslocamentos: Sob carregamento induzido pelo fogo, todos os painéis exibiram crescimento linear de deslocamento ao longo do tempo. O P1 (3 camadas) demonstrou o maior deslocamento, deslocando-se 6,3% mais que o P2 e 8,2% mais que o P3. O deslocamento vertical máximo para o P1 foi de 6,15x10⁻¹ mm, enquanto o P3 apresentou o menor movimento (5,33x10⁻¹ mm).
• Movimento dos Parafusos: Os deslocamentos horizontais e verticais dos parafusos foram mínimos devido às condições de suporte fixo. As variações horizontais máximas foram da ordem de 10⁻² mm. Os deslocamentos verticais mostraram um efeito de "arrancamento" (pull-out) para os parafusos externos e movimento para dentro para os parafusos internos devido às tensões de flexão, com o P1 novamente apresentando os maiores deslocamentos.

Significância e Conclusões
O estudo conclui que o aumento da espessura e do número de camadas nos painéis de CLT melhora significativamente o desempenho termomecânico sob condições de incêndio. Configurações mais espessas (5 e 7 camadas) proporcionam isolamento superior, retardando a transferência de calor para o núcleo e protegendo as conexões metálicas de atingir temperaturas críticas que comprometeriam a integridade estrutural.

A pesquisa valida que, embora os painéis de CLT sofram redução de seção devido à carbonização, a estrutura multicamadas mantém a estabilidade estrutural melhor do que as configurações mais finas. Os achados sugerem que elementos de CLT mais espessos reduzem a degradação da rigidez e da resistência da madeira durante a exposição ao fogo e retardam o início da falha nas zonas de conexão. No entanto, os autores mantêm que a resposta térmica permanece altamente dependente da intensidade e duração da exposição ao fogo. O estudo reforça a utilidade da simulação computacional para prever esses comportamentos, oferecendo dados que se alinham com observações experimentais relativas às propriedades isolantes das camadas carbonizadas e ao papel protetor do aumento da espessura do painel.