Dossiê da Madeira Laminada Colada Cruzada (CLT) : Produção e Desenvolvimento

Texto : Eng. Alan Dias – Carpinteria Estruturas de Madeira

CLT Brasileiro de Pinus – Produzido pela CG CROSSLAM BRASIL

INTRODUÇÃO

A Madeira Laminada Colada Cruzada – Cross Laminated Timber (CLT) vem se transformando num material conhecido no mundo inteiro, e sendo conhecido como um material muito versátil pra construção civil. De fato, a produção de CLT no mundo vêm crescendo progressivamente nos últimos 10 anos, e aos poucos está substituindo a construção que antes era feita apenas com materiais minerais. Tudo isso graças à sua estrutura colada em lamelas dispostas à 90 graus, o que faz com que os painéis possuam alta resistência.

A tecnologia do CLT foi desenvolvida na Europa no início da década de 1990, onde se tornou um material bastante utilizado. Na Europa o CLT concorre de igual pra igual com sucesso contra o concreto armado, aço e tijolos num segmento de mercado específico de edifícios multifamiliares. A definição do CLT pela ANSI (Norma Americana) é a seguinte : “O CLT é um produto de madeira engenheirada pré-fabricada feito de pelo menos 3 camadas ortogonais de madeira laminada serrada que são coladas com adesivos estruturais para formar um sólido retangular, moldado para aplicações em telhados, pisos ou paredes.” Os painéis de CLT são pré-fabricados já com aberturas para portas, janelas e dutos cortados com alta precisão por roteadores em CNC. Depois de prontos, os painéis são transportados para o canteiro de obras e montados com guindastes e uma pequena equipe de construção. As paredes e os pisos são unidos usando conectores de metal. Camadas de isolamento podem ser adicionadas aos painéis nas paredes e tetos, ou as superfícies podem ser deixadas à mostra para aproveitar o calor e a estética da madeira. A atratividade do CLT como um sistema de construção se deve ao fato da alta velocidade de montagem que o sistema proporciona, resultando em economias consideráveis em mão-de-obra e mínima perturbação nos arredores locais. Além disso, parte da atenção dada ao CLT se deve ao uso potencial em edifícios altos, a partir de 8 – 12 andares. Alguns deles já foram construídos pelo mundo e edifícios ainda mais altos estão por vir.

Residência em CLT produzida pela CG CROSSLAM BRASIL

PRODUÇÃO GLOBAL DE CLT

Desde a sua introdução no mercado no início doa anos 90, a produção de CLT cresceu rapidamente. A maioria das estimativas coloca a produção anual global de CLT em mais de 600.000 m3 para o ano de 2014, número que deverá ultrapassar um milhão de m3 em 2018, quando operações na Finlândia, Letônia, Japão e EUA estiverem em operação total. As estimativas globais estimam que em 10 anos a produção global do CLT deve atingir 3 milhões de m3, com a maior parte do crescimento previsto pra ocorrer fora da Europa, inclusive no Brasil. A figura abaixo mostra o volume de produção de CLT segundo especialistas:

Crescimento do CLT em m3 ao longo dos anos (Fonte : Plackner 2014)

HISTÓRIA DO CLT

A ideia dessa placa larga e robusta de madeira, que também é conhecida como “X-LAM” ou em alemão “BRETTSPERRHOLZ (BSP)” é a princípio não muito nova. A sua estrutura básica é comparável à placas já existentes de compensados, por exemplo. A colagem de painéis de madeira faz com que se minimize os efeitos de retração e se tenha uma maior estabilidade dimensional. Portanto, o único avanço tecnológico que o CLT trouxe foi a capacidade de se produzir painéis colados de grandes dimensões e espessuras, o que faz do produto único e versátil.

O desenvolvimento do CLT no início dos anos 90 foi motivado pela necessidade da indústria madeireira em agregar valor à placas de madeira serrada. As dimensões das placas de CLT e a aplicação na engenharia fez com que o produto se tornasse uma opção real, num mercado que há mais de 100 anos era dominado por materiais minerais. Em termos de arquitetura e engenharia, as placas de CLT trouxeram uma nova visão de projeto que passou a ser pensar em planos e volumes, ao invés de apenas linhas.

O termo “Brettsperrholz” foi usado pela primeira vez em 1981 pelos engenheiros alemães Dröge e Stoy, para designar painéis colados cruzados para pontes. Foi traduzido para o inglês “Cross Laminated Timber” por Schickhofer e Hasewend em 2000. Porém, existem estudos de que placas de madeira laminada colada cruzada já tinham sido estudadas no início do século 19, mais precisamente em 1908 por Schuchow e Kalep. O registro da primeira estrutura em CLT no mundo, uma pequena residência, se deu em 1993 feita por Schuler e Guyer. O CLT como conhecemos hoje, de forma engenheirada, teve sua primeira construção, também residencial em 1995, feita por Moser.

Teste de Flexão da placa de CLT

A Tecnologia do CLT teve seu desenvolvimento inicial primeiramente na Alemanha, Áustria e Suíça e teve sua aplicação em pequena escala no início e de 10 anos pra cá numa escala industrial. A normatização do CLT na Europa começou a ser implantada em 1998 e foi aceita em 2008. A norma que regulamenta a produção de CLT (EN 16351) foi lançada em 2014 e agora o CLT deve entrar na norma de madeira da Europa, o Eurocode 5.

Teste de Flexão da placa de CLT

VANTAGENS DO CLT

Além das suas óbvias características sustentáveis devido ao uso da madeira como material básico, existem muitas outras vantagens do uso do CLT em comparação à outros produtos.

As principais vantagens do painel de CLT são praticamente o incomparável grau de pré-fabricação das placas na fábrica, a construção limpa e seca na obra e o tempo de montagem mínimo com poucos trabalhadores.

Produção e Pré-fabricação

A pré-produção das placas de CLT na indústria não é afetada pelas condições climáticas. Faça chuva ou faça sol, a produção de CLT não para. A madeira é colada seca e portanto não vai trazer umidade pra obra. Como a contração e a retração da madeira é muito menor no sentido perperdicular às fibras do que nos sentidos radial e tangencial, as placas de CLT tem uma estabilidade ímpar devido à sua colagem em 2 direções. Além disso, as placas de CLT podem ser 100% usinadas numa router em CNC controlada por softwares CAD/CAM com uma precisão milimétrica.

Peças usinada na CNC de 5 eixos da CG CROSSLAM BRASIL

Resistência

Permite que a madeira seja usada em prédios nunca vistos antes, como por exemplo os de 30 andares. A laminação cruzada cria propriedades de resistência perfeitamente uniformes, como aço e concreto. Cria novas possibilidades em balanços e suporte de carga. Devido às suas incríveis propriedades de resistência, o CLT pode ser utilizado em aplicações como arranha-céus para os quais a madeira nunca foi adequada. As propriedades de alta resistência têm mais benefícios do que apenas serem capazes de construir mais alto e fazer vãos livres maiores, elas são evidentes em todas as outras vantagens surpreendentes do CLT. Qualquer fragilidade individual na lâmina de madeira é anulada pela colagem cruzada com outras peças até que haja um único painel de madeira com propriedades de resistência uniforme mais próximas do concreto armado que da madeira original. Por último, balanços, vãos livres e cargas podem ser projetados em qualquer direção, em vez de apenas um, oferecendo novas possibilidades de design.

Fogo

O desempenho de incêndio do CLT é melhor do que qualquer outro sistema de construção de madeira, concreto ou aço. A baixa área de superfície e o ambiente hermético, em comparação com a construção de madeira padrão, também ajudam a inibir o crescimento de incêndio em um espaço contido, limitando o combustível disponível. Mesmo um painel instalado normalmente sem revestimento algum não permite que o fogo queime livremente, pois encapsula a chama em uma única área, sufocando-a. Outro grande atributo é a massa térmica sólida. Isso permite que um lado do painel esteja próximo de 1000 graus Celsius, enquanto o outro lado está na temperatura ambiente.

Placa de CLT submetida ao teste de carbonização

Sísmica

Combinação de força, ductilidade e peso leve formam o sistema ideal à prova de terremotos. Testes de tabela de vibração de até 7 andares provam que os edifícios de CLT têm excelente desempenho. Nenhuma perda de vida ou dano estrutural, mesmo contra os terremotos mais fortes. O CLT é imensamente forte, dúctil e leve. Os atributos perfeitos para um sistema de construção à prova de terremotos. Testes sísmicos provam que os edifícios de CLT podem lidar com os terremotos mais fortes do mundo, sem perda de vida ou danos estruturais. As propriedades de alta resistência ao peso diminuem as forças sísmicas que atuam contra a estrutura, tornando esses edifícios extremamente seguros, ao mesmo tempo em que permitem fundações menores. Um edifício de 7 andares de CLT foi vibrado pela maior mesa de testes de terremoto do mundo no Japão em 10 terremotos de graus distintos e sobreviveu perfeitamente intacto. Os andares de CLT em um arranjo teórico de 24 andares mostraram reduzir a carga sísmica em 50% em comparação com o concreto armado.

Acústico e Vibração

Painéis de madeira massiva dão excelente isolamento acústico. O design de vibração pode satisfazer os códigos de construção mais rigorosos. O processo de construção é quase silencioso, perfeito para projetos urbanos. Ao substituir as paredes internas, a madeira massiva proporciona uma grande melhoria no desempenho acústico. A construção do CLT dá à casa um recinto hermético de elementos de massa sólida, e com o design adequado pode satisfazer as mais rigorosas classificações acústicas, mesmo em edifícios residenciais de vários andares.

Isolamento térmico

Sistema de construção ideal para casas passivas - que não exigem sistemas de aquecimento. Pode capturar 90% do ar aquecido que escapa das casas normais. Alta massa térmica de madeira mantém a casa quente no inverno e fresco no verão. O CLT é perfeitamente adequado para projetos “passivhaus” (casas passivas) que são tão eficientes em isolar uma casa que eles não precisam de nenhum sistema de aquecimento. O ambiente hermético não permite que o calor saia por rachaduras, enquanto a casa normal tem rachaduras que somam o tamanho de uma bola de basquete. A alta massa térmica da madeira também ajuda a manter a temperatura interior estável durante todo o dia – quente de dia, fresca à noite.

Montagem de laje em CLT pela CARPINTERIA ESTRUTURAS DE MADEIRA

Durabilidade

Com design e manutenção adequados, as estruturas de madeira podem proporcionar uma vida útil longa e equivalente a outros materiais de construção. A chave é o planejamento cuidadoso e a compreensão das cargas ambientais e outros fatores externos que podem impactar em um edifício durante sua vida útil.

Gerenciamento de Umidade e Difusão de Vapor

A madeira é naturalmente higroscópica, servindo como um sistema de gerenciamento de umidade dentro de um envelope de construção. Idealmente fabricado com 12% de umidade, a capacidade da madeira de absorver e emitir umidade pode naturalmente estabilizar um ambiente interno. Os edifícios de CLT "respiram", minimizando o risco de crescimento de mofo e maximizando o conforto de seus ocupantes.

Ambiental

A madeira é o único material de construção importante que cresce naturalmente e é renovável. Estudos mostram consistentemente que a madeira supera o aço e o concreto em termos de energia incorporada, poluição do ar e poluição da água. O CLT também tem uma pegada de carbono mais leve, uma vez que os produtos de madeira continuam a armazenar carbono absorvido pelas árvores durante o crescimento, e a fabricação de madeira engenheirada requer significativamente menos energia para produzir do que concreto e aço.

Ambiente interno saudável

Os únicos constituintes de um sistema de construção em CLT são a madeira e um adesivo não-tóxico. Os materiais de construção do CLT não introduzem nenhuma toxina no ambiente interno, proporcionando uma qualidade limpa do ar interno. Os sistemas de parede CLT são naturalmente respiráveis. Integrado com sistemas mecânicos apropriados, isso cria um ambiente interno saudável que maximiza o conforto e a saúde dos ocupantes.

Montagem de estrutura em CLT pela CARPINTERIA ESTRUTURAS DE MADEIRA

Análise do Ciclo de Vida

A longevidade dos componentes do CLT garante que o valor futuro de qualquer estrutura permaneça alto. Os edifícios em CLT são facilmente alterados e remodelados e também são totalmente recicláveis ​​quando chegam ao fim de sua vida útil.

Efetividade de custo

Comparando o custo do CLT com certos tipos de construção de concreto, alvenaria e aço e incluindo as vantagens de tempo de construção mais rápido e menores custos de fundação, os custos totais estimados de estruturas em CLT estão se mostrando muito competitivos.

Flexibilidade de projeto

O CLT possui propriedades estruturais exclusivas que proporcionam maior flexibilidade de projeto, permitindo projetos diferenciados e inovadores. Devido à ductilidade inerente da madeira e à relação resistência-peso, a madeira oferece muitas vantagens em relação aos outros materiais estruturais comuns, como alvenaria, concreto e aço.

Velocidade de Construção

De construtores de uma só pessoa a grandes empresas de construção, os sistemas estruturais da CLT chegam ao local prontos para serem montados, economizando tempo e dinheiro com um processo de construção rápido e preciso.

Resíduos Reduzidos

Os painéis CLT são fabricados para aplicações específicas de uso final, o que resulta em pouco ou nenhum desperdício no local de trabalho. Além disso, os fabricantes podem reutilizar aparas de fabricação para escadas e outros elementos arquitetônicos.

Princípio básico de colagem das placas

FABRICAÇÃO E TECNOLOCIA DO CLT

a) Material Básico – Madeira Serrada : Geralmente, as placas de CLT são formadas por peças prismáticas de madeira serrada com espessuras que variam de 12-45mm e larguras que variam de 40-300mm. Na Europa a norma estabelece lâminas de espessura 20, 30 e 40mm. Devido às tensões de cisalhamento entre as lâminas, a norma estabelece que a largura das tábuas seja maior ou igual à 4 vezes a espessura, adotando como padrão lâminas de 150mm de largura. As peças de madeira devem ter a umidade controlada que varia de 10-14% de umidade para a colagem.

b) Colagem de topo com “finger-joints” : Para o CLT o finger-joint pode variar de um comprimento de 15-20mm. Colagens com finger-joints de comprimento superior à 20mm devem ser estudados caso a caso pois podem reduzir a resistência quando a placa é submetida à momentos fletores. A posição dos finger-joints podem ser tanto transversais como longitudinais. A diferença é apenas estética. Para os finger-joints recomenda-se o uso de adesivos como o MUF (Melamina-Ureia-Formol), o PUR (Poliuretano Monocomponente) ou o EPI (Emulsificante-Polimero-Isocianato).

Finger-joints transversais e lingitudinais

c) Aplicação do adesivo nas faces das lâminas : De forma geral os adesivos são aplicados com aplicadores de adesivos que regulam a quantidade de produto que será aplicado nas faces de colagem. Eles podem ser aplicados em cada lamela de madeira individualmente, normalmente correndo numa esteira rolante ou diretamente na mesa de prensagem sobre as lamelas já dispostas lado à lado.

d) Prensagem do CLT : A prensagem dos painéis de CLT podem ser feitas de 3 formas. A primeira forma é o uso da prensa hidráulica, a segunda é o uso da prensa à vácuo e a terceira (menos utilizada) é a ligação das lâminas através de parafusos, pregos e sargentos. Dependendo do equipamento, a pressão de colagem pode chegar até  0,10-1,0 N/mm2 (1,0-10,0 Kgf/cm2) ou até pressões maiores podem ser atingidas com prensas hidráulicas. Prensas à vácuo trabalham numa faixa de 0,05-0,10 N/mm2 (0,5-1,0 Kgf/cm2). A equação para definir a pressão ideal para o CLT pode ser definida como uma função do adesivo utilizado, espécie de madeira, geometria das lâminas, sistema de aplicação do adesivo e quantidade de adesivo aplicado.

A pressão mínima de colagem para os adesivos tipo PUR, por exemplo, é estabelecida entre 0,01-0,10 N/mm2 (0,1-1,0 Kgf/cm2) – perfeito para prensas à vácuo. Já para adesivos à base de Malamina (MUF), a pressão mínima deveria ficar entre (!) 1,40-2,00 N/mm2 (14,0-20,0 Kgf/cm2), demasiada alta.

Além da pressão mínima, é claro que existe também a pressão máxima. Através de ensaios em laboratórios foi descoberto que pressões muito altas no CLT podem danificar o adesivo e esmagar as estruturas celulares da madeira. Por isso no caso de CLTs de madeiras do tipo coníferas a pressão máxima é restringida à 1,0 N/mm2 (10,0 Kgf/cm2). Seguindo a norma de Madeira Laminada Colada Européia (EN386), para lâminas de até 35mm de espessura recomenda-se a pressão máxima de colagem de 0,60 N/mm2 (6,0 Kgf/cm2). Acima de 35mm recomenda-se a pressão máxima de 0,80 N/mm2 (8,0 Kgf/cm2).

Portanto, constatou-se que ao usar o adesivo tipo PUR na fabricação de placas CLT a aplicação de pressões relativamente baixas, é totalmente satisfatória. Estudos demonstraram que pressões de colagem acima de 0,1 N/mm2 (1,0 Kgf/cm2) não melhoram significativamente a colagem, havendo pouca ou nenhuma diferença no desempenho estrutural das placas.

e) Acabamento das placas : Depois da prensagem as placas de CLT são requadradas nas bordas. Pode-se futuramente aplicar placas de OSB, gesso ou cimentíceas sobre as placas de CLT.

f) Cortes em CNC : Assim que as placas são requadradas, faz-se os cortes, encaixes, furos e usinagens das placas CLT numa router CNC ou manualmente.

TIPOS DE PRENSAS DE CLT

a) Prensas hidráulicas : Através de prensas hidráulicas é possível conseguir praticamente qualquer valor de pressão de colagem das lâminas. As prensas hidráulicas existentes hoje em dia conseguem atingir o máximo de 1,5 N/mm2 (15,0 Kgf/cm2), o que faz com que sejam capazes de colar lâminas de espessuras maiores e também utilizar madeiras mais duras.

A grande vantagem das prensas hidráulicas é a flexibilidade de automação do processo de colagem, tanto antes como durante e após a prensagem. Isso engloba o posicionamento das lâminas, alinhamento, aplicação do adesivo, a entrada e saída das camadas, a aplicação de pressão em determinados pontos e a prensagem em si. Porém, essas prensas, ao contrário das prensas à vácuo, não são capazes de produzir peças curvas ou outras formas. Além disso, em consequência da prensagem estritamente paralela não é possível corrigir falhas e desvios de espessuras das lâminas, o que é conseguido apenas nas prensas à vácuo.

Prensa pneumática para CLT

Prensa hidráulica para CLT

b) Prensas à vácuo : As prensas à vácuo tem a capacidade de prensagem que podem ir de 0,05-0,1 N/mm2 (0,5-1,0 Kgf/cm2). Devido à limitação de pressão de colagem, há uma limitação no uso de adesivo e espécies de madeira a serem coladas. Recomenda-se o uso do adesivo de PUR e madeiras coníferas leves. Além disso há uma restrição à espessura das lâminas, limitada à 40mm.

A vantagem das prensas à vácuo é que são mais econômicas que as prensas hidráulicas e atendem bem à uma produção média de 2000-5000 m3 de produção por ano. O processo em geral é semi-mecânico. As camadas de madeira são acondicionadas manualmente na mesa e o adesivo é aplicado mecanicamente. Também é possível comprimir lateralmente as placas aplicando uma pressão mecânica lateral antes de aplicar o vácuo com uma lona de borracha sintética. O sistema à vácuo garante uma pressão 100% uniforme em toda a área e aceita pequenos desvios de espessura das peças, já que a lona é flexível. Também pode-se usar o sistema pra fazer placas curvas.

Prensa à vácuo de CLT

Prensa à vácuo da CG CROSSLAM BRASIL

c) Prensagem com sargentos, pregos e parafusos : Também é possível fabricar as placas de CLT sem nenhum grande equipamento industrial através de sargentos manuais e aplicação de pregos e parafusos nas lâminas durante a colagem.

A única vantagem desse sistema é que ele é de baixo custo.

PROJETANDO EM CLT

No Brasil ainda não existem normas específicas para o cálculo estrutural dos painéis em CLT. Portanto, recomenda-se o uso da norma Européia ou Canadense.

Fábrica da CG CROSSLAM BRASIL

Estado Limite Último (ULS) :

Para o Estado Limite Último (ULS) existem dois casos de carga. O primeiro são as cargas ditas “fora do plano”, que são cargas em paredes ou em paredes diafragma. A direção das lâminas devem ser tomadas em conta nos parâmetros de cálculo de resistência e cargas. Devido à inevitáveis pequenos espaçamentos entre as lâminas das placas de CLT, não se considera transferência de esforços entre elas no eixo transversal (tensão e compressão perpendicular às fibras). O segundo caso são as cargas ditas “no plano” na placa, normalmente quando usadas como lajes. Os parâmetros de tensão, compressão, flexão e cisalhamento devem ser considerados no cálculo.

Resistência ao fogo :

Para o cálculo de resistência ao fogo das placas de CLT a norma européia estabelece uma taxa de carbonização das placas da seguinte maneira :

β = 0,65 mm/min, no caso de CLT com lâminas com menos de 2mm de espaçamento entre elas.

β = 0,80 mm/min, no caso de CLT com lâminas com espaçamentos entre 2mm à no máximo 6mm entre elas.

Estado Limite de Serviço (SLS) :

De fato os elementos de CLT são raramente governados pelo ULS (ruptura e fogo), normalmente o que delimita o cálculo é o SLS (deformação e vibração). O cisalhamento horizontal entre as lâminas das placas de CLT deve ser considerado no cálculo da matriz de rigidez equivalente da placa. Para a verificação da deformação deve-se considerar também as deformações à longo prazo (fluência) decorrentes das classes de serviços utilizadas.

Vibrações :

Normalmente placas com vão livre acima de 4m devem ser calculadas as resistências à vibrações. Primeiramente calcula-se a frequência natural da placa, o critério de rigidez e a vibração acelerada. Frequentemente pode-se ignorar este cálculo para lajes com camadas superficiais anti-impacto.

Aberturas :

Nos cálculos devem ser considerados também as aberturas de janelas e portas no caso de paredes, ou furos em lajes.

Ligações :

As ligações entre as placas de CLT podem ser feitas com a utilização de parafusos auto-atarrachantes de rosca inteira ou meia rosca ou conectores de metal angulados (fixados com pregos ou parafusos). Atualmente existe um conector chamado X-RAD da Rothoblaas que faz a união de placas em CLT.

Software RFEM da Dlubal para cálculo de estruturas em CLT

CONCLUSÕES

Considerando o crescimento exponencial do uso do CLT no mundo, principalmente no Canadá, EUA e Japão e inclusive no Brasil é necessária uma normatização mundial das placas de CLT, englobando produção, testes em laboratório, design, cálculo, detalhamento, ligações e execução.

O uso de madeira de Pinus no caso do CLT brasileiro é bem vindo e é atualmente a madeira ideal para a fabricação do CLT por aqui. Ainda faltam estudos mundiais de CLT com madeiras mais densas e com placas de CLT utilizando madeiras de espécies diferentes.

Sobretudo o CLT não veio apenas pra revolucionar a indústria da construção em madeira e sim para revolucionar toda uma indústria de construção mundial, que não mudava há mais de 100 anos. Atualmente o potencial do CLT pode ser visto em edifícios de múltiplos andares pelo mundo. De qualquer forma é essencial que as particularidades da madeira devem ser levadas em conta como por exemplo a vulnerabilidade à umidade. Consequentemente os detalhamentos que previnem a estrutura de ficar exposta devem ser obrigatórios e regulamentados.

Quando se projeta em CLT é necessário levar em conta a estrutura como um todo e não apenas peças individuais. Para tal já existem softwares para o cálculo de estruturas em CLT como o RFEM da Dlubal, o qual a empresa Carpinteria Estruturas de Madeira  já utiliza para o design.

O CLT não concorre de fato com o sistema linear pilar-viga já conhecido pelas estruturas de madeira e sim concorre diretamente com materiais de base mineral como o concreto-armado e o aço. Isso devido ao fato que pode-se sempre utilizar espécies locais para a sua fabricação, de forma sustentável, beneficiando diversas regiões pelo mundo. Inclusive no Brasil.

Montagem de estrutura em CLT pela CARPINTERIA ESTRUTURAS DE MADEIRA

Referências :
- Cross Laminated Timber (CLT) – Overview and Development – Brandner, Flatsher, Ringhofer, Schickhofer, Thiel;
- Production and Technologi of Cross Laminated Timber – A state of the art Report – Jour Brandner;
- Documentation on Vacuum Press – Woodtech – Fankhauser GmbH
- Site da CROSSLAM BRASIL : www.crosslam.com.br