Proteção passiva de estruturas metálicas em situação de ... · Cálculo ao Fogo de Estruturas de Aço. Porquê? A capacidade resistente do aço e a sua rigidez diminuem drasticamente

Proteção passiva de estruturas

metálicas em situação de

incêndio – a importância do

conhecimento da temperatura

crítica

Paulo Vila Real

Sumário

Introdução

Noções básicas

Exemplo de aplicação

Cálculo ao Fogo de

Estruturas de Aço. Porquê?

A capacidade resistente do aço e a sua rigidez

diminuem drasticamente com a temperatura.

A grande condutividade térmica do aço faz com

que a temperatura se propague rapidamente.

Os elementos estruturais em aço têm em geral

secções transversais muito esbeltas.

A capacidade

resistente do aço

diminui a partir de 100-

200 ºC.

Apenas 23% da

capacidade resistente

do aço permanece a

700 ºC.

A 800 ºC aquela

capacidade reduz-se a

11% e a 900 °C a 6%.

O aço funde a

1500°C. Extensão (%)0.5 1.0 1.5 2.0

Tensão (N/mm2)

0

300

250

200

150

100

50

20°C

200°C300°C

400°C

500°C

600°C

700°C

800°C

47%

Cálculo ao Fogo de


Cálculo ao Fogo de


0 300 600 900 1200

100

80

60

40

20

% do valor a 20 ºC

Temperatura (°C)

Tensão de cedência

Módulo de

elasticidade

• Redução da tensão

de cedência e do

módulo de

elasticidade dos

aços estruturais

S235, S275, 355,

S420 e S460.

Cálculo ao Fogo de


A capacidade resistente do aço e a sua rigidez

diminuem drasticamente com a temperatura.

A grande condutividade térmica do aço faz com

que a temperatura se propague rapidamente.

Os elementos estruturais em aço têm em geral

secções transversais muito esbeltas.

AÇO (IPE 300) BETÃO (30x30 cm2)

DT = 22 ºC DT = 794 ºC

30 minutos de exposição ao incêndio padrão ISO 834

Cálculo ao Fogo de


1. Regulamentação Nacional de Segurança contra Incêndios em Edifícios (SCIE).

2. Normas de cálculo da resistência ao fogo – os EUROCÓDIGOS ESTRUTURAIS.

Dois tipos de regulamentação e normas de cálculo

Regulamentação

Regime Jurídico de Segurança contra Incêndio em Edifícios (Decreto

Lei nº 220/2008)

Decreto-Lei n.º 224/2015 - primeira alteração ao Decreto -Lei n.º

220/2008, de 12 de novembro, que aprova o regime jurídico da

segurança contra incêndio em edifícios

Regulamento Técnico de Segurança contra Incêndio em Edifícios

(Portaria n.º 1532/2008)

Critérios técnicos para determinação da densidade de carga de

incêndio modificada (Despacho n.º 2074/2009)

Regulamentação Nacional de Segurança contra Incêndios em

Edifícios (SCIE)

Regulamentação Nacional

Os EUROCÓDIGOS ESTRUTURAIS

Para verificação da resistência ao fogo das estruturas

Normas Europeias

EN 1990 Bases para o projeto de estruturas (2009)

EN 1991-1-2 Ações em estruturas expostas ao fogo (2010)

EN 1993-1-2 Verificação da resistência ao fogo de estruturas de metálicas (2010)

1. Definir o tipo de incêndio - EC1

2. Definir as cargas em situação de incêndio - EC0 +EC1

3. Calcular a temperatura na estrutura - EC3

4. Calcular o comportamento mecânico - EC3

Cálculo Estrutural ao FogoQuatro etapas

Ações Térmicas

Abordagem Prescritiva

(Ações térmicas dadas por

incêndios nominais)

Abordagem baseada nodesempenho

(Ações térmicas baseadas na Física)

Métodos de Cálculo

t

q

t

q

Incêndio nominal. Ex:

Incêndio padrão ISO 834

Incêndio natural

Cálculo Estrutural ao Fogo

Quatro etapas





• À temperatura ambiente (20 ºC)

1. O fogo deve ser considerado como uma acção de acidente.

2. A ocorrência simultânea de outras acções de acidenteindependentes não necessita ser considerada.

1.0 x carga permanente

1 x acção variável de base (valores frequentes)

2 x outras acções variáveis (valores quase permanentes)

Ad – valor de cálculo das acções indirectas de incêndio.

O EC3 permite desprezar o efeito da dilatação térmica.

• Em situação de incêndio

Regras de combinação para

as ações mecânicas

1

,,01,1,1,1

,,i

ikiQkQj

jkjGQQG

di

ikikj

kAQQG

1,,21,1,21,1

11,

)ou(

(Recomendado no Anexo Nacional)


Quatro etapas





Fator de massividade Am/V

Perfis metálicos não protegidos

h

b

thc

VAk d,net

aa

msht.a D

qD

perimetro

Área s/r

Perimetro exposto

Área s/r

2(b+h)

Área s/r

Tababela para determinação

da temperatura

Perfis metálicos não protegidos

Temperature of unprotected steel in ºC, exposed to the ISO 834 fire curve

for different values of V

Ak m

sh , 1m (continued)

Time

[min.]

10

m-1

15

m-1

20

m-1

25

m-1

30

m-1

40

m-1

60

m-1

100

m-1

200

m-1

300

m-1

400

m-1

51 468 600 688 732 750 825 894 911 917 918 919

52 477 610 697 734 757 835 899 915 920 921 922

53 487 620 704 736 765 845 904 918 923 924 925

54 496 629 711 739 774 854 908 921 926 927 928

55 505 638 718 743 784 863 913 924 928 930 930

56 514 648 723 747 794 872 917 927 931 932 933

57 523 656 728 753 804 880 920 930 934 935 936

58 532 665 731 760 814 887 924 933 937 938 938

59 541 673 734 768 825 894 927 935 939 940 941

60 549 681 736 777 834 901 931 938 942 943 944

Nomograma para temp. em

perfis metálicos não protegidos

Nomograma para temperaturas em perfis metálicos não protegidos

Sujeitos à curva ISO 834, Para diferentes valores de ksh ∙ Am/V [m-1]

18

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60

Tem

pera

ture

[ºC

]

Time [min.]

400 m-1

300 m-1

200 m-1

100 m-1

60 m-1

40 m-1

30 m-1

25 m-1

20 m-1

15 m-1

10 m-1

q

Aumento da temperatura em

perfis metálicos protegidos

Equação simplificada do EC3

V

Ad

c

c pp

aa

pp

• A quantidade de calor

armazenada na proteção é

t.g/

t.at.gp

aa

ppt.a et

/V

A

c

d/qDDqq

qD 1

31

1 10

• O aumento da temperatura do aço

no intervalo de tempo Dt

Temperatur

a do aço

Aço

Proteção

Temperatura

do incêndio

dp

Section factor Ap/V

Para perfis metálicos protegidos

h

b

t.g/

t.at.gp

aa

ppt.a et

/V

A

c

d/qDDqq

qD 1

31

1 10

Perímetro do perfil

Área s/r do perfil2(b+h)

Área s/r do perfil

(b+2h)

Área s/r do perfil

Tabelas para avaliação da

temperatura Perfis metálicos protegidos sujeitas à curva ISO 834

Temperature of protected steel in ºC, exposed to the ISO 834 fire curve

for different values of p

pp

dV

A , KW/m3

Time

[min.]

100

W/m3K

200

W/m3K

300

W/m3K

400

W/m3K

600

W/m3K

800

W/m3K

1000

W/m3K

1500

W/m3K

2000

W/m3K

0 20 20 20 20 20 20 20 20 20

5 24 27 31 35 41 48 55 71 86

10 29 38 46 54 70 85 100 133 164

15 35 49 62 75 100 123 145 194 237

20 41 61 79 97 130 160 189 251 305

25 47 72 96 118 159 197 231 305 366

30 54 84 113 140 188 232 271 354 421

35 60 97 130 161 216 266 309 400 470

40 67 109 147 181 244 298 346 442 514

45 74 121 163 202 270 329 380 481 554

50 80 133 179 222 296 359 413 516 589

55 87 145 196 241 321 387 443 549 621

60 94 156 211 261 345 414 472 578 650

Nota: esta tabela é

valida apenas para

materiais de

proteção leves,

0.0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 60 120 180 240

Tem

pera

ture

[ºC

]

Time [min.]

2000 W/Km3

1500 W/Km3

1000 W/Km3

800 W/Km3

600 W/Km3

400 W/Km3

300 W/Km3

200 W/Km3

100 W/Km3

q

Nomograma para

determinação da temperatura

em perfis metálicos protegidos

Nomogram para determinação da temperatura de perfis metálicos protegidos

sujeitos à curva ISO 834, para diferentes valores de [Ap/V][λp/dp] [W/Km3]

Nota: este gráfico é

apenas válido para

meteriais de

proteção leves,

0.0

Para materiais de

proteção pesados deve

ser usado um fator de

massividade

modificado corrigido

Proteção passiva contra incêndio

Colunas:

Vigas:

1. Pintura com tintas intumescentes

2. Materiais projectados

3. Placas rígidas

4. Mantas

Acabamento com Tinta intumescente

1. Revestimento intumescente

Proteção passiva

2. Revestimento Projetados

Apresentam-se sob a

forma de argamassa

hidráulica pastosa ou

fibrosa, aplicável por

projecção.

Com espessuras finais de 10 a 40 mm, aplicam-se em zonas

com pouca exigência estética.

Proteção passiva

3. Revestimento com Placas

Apresentam-se sob

a forma de placas

rígidas com 20, 25,

30, 35, 40 e 50 mm

de espessura.

Protecção passiva

Podem ser de fibra

cerâmica, lã de

rocha ou qualquer

outro material

fibroso. São

aplicadas no

contorno por meio

de pinos de aço

previamente

soldados à estrutura.

Proteção passiva

4. Revestimento com Mantas


Quatro etapas





1. Tempo:

tfi,d > tfi,requ

2. Resistência:

Rfi,d,t > Efi,d,t

3. Temperatura:

qd < qcr,d

R E,

2

1

3

Rfi,dEfi,d

qd

qcr,d

t fi,requ t fi,dt

t

q

1

3

2

Domínios de verificação da

resistência ao Fogo – curvas

nominais

Nota: 1e 3 necessitam do

conhecimento da

temperatura crítica.

O conceito de temperatura

crítica - 1

qcrit,1crit,2q <crit,2qqcrit,1

Cabe ao projetista de

Estruturas o cálculo da

temperatura crítica.

Nota: A temperatura crítica

depende do grau de

carregamento do

elemento estrutural.

EN 1993-1-2:


crítica - 2

Qual o significado da equação (4.22)?

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature [ºC]

Eq. 5.7

Table 5.2

119674.0

833.31

19.39

482

,

a

ek y

q

q

A curva que melhor se ajusta aos valores da tabela :


crítica - 3

119674.0

833.31

19.39

482

,

a

ek y

q

q

1

,,

qq ycra k

48219674,0

1ln19.39

833,3

,

,

q

qy

crak


crítica - 4

Temperaturas críticas por

defeito no Eurocódigo 3 e no

Anexo Nacional Português - 1

- O Eurocódigo 3 fornece um valor da temperatura crítica por

defeito a utilizar no caso de elementos de Classe 4, quando

não se efetua o seu cálculo.

- O Anexo Nacional da NP EN 1993-1-2 fornece valores da temperatura

crítica por defeito a utilizar quando não se efetua o seu cálculo.

Temperaturas críticas por

defeito no Eurocódigo 3 e no

Anexo Nacional Português - 2

(zonas de armazenamento)

Este fabricante tem tabelas para as seguintes temperaturas: 350, 400, 450, 500, 550, 600, 620, 650 e 700ºC

Espessura de tinta intumescente em função do fator de massividade e da temperatura crítica.

...

Importância de conhecer

a temp. crítica para a determi.

da espessura da proteção

Caso de estudo – Pavilhão industrial

Método simplificado de cálculo

Caso de estudo

Pavilhão industrial - 1

Resistência ao fogo exigida – R60

2.75 x 24 = 66 m

6 x 14 = 84 m

AçoS355

2.0 m1.85 m

8.15 m IPE500

qcr = ?

Protecção = ?

Caso de estudo


Combinação de ações

G – Peso próprio

Q – Sobrecarga de utilização

W - Vento

GW.Q.GWQG W,Q, 000021Combinação de ações1:

W.GQ.W.GQWG Q,W, 20002021 Combinação de ações 2:

Section N M1 M2 q lfi,y lfi,z

- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]

-139.4 0 135.9 0 16.300 - IPE 500

-139.4 0 0 0 - 4.075


- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]

-135.9 0 170.9 0.69 16.300 - IPE 500

-135.9 0 0 0 - 4.075

Caso de estudo


40


- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]

-139.4 0 135.9 0 16.300 - IPE 500

-139.4 0 0 0 - 4.075

Temperatura crítica para a combinação de ações 1

Programa Elefir-EN

Caso de estudo



Caso de estudo



- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]

-135.9 0 170.9 0.69 16.300 - IPE 500

-135.9 0 0 0 - 4.075


Caso de estudo



Caso de estudo


Temperatura crítica do pilar IPE 500

qa,cr = min(656 ºC; 638 ºC) = 638 ºC

Caso de estudo


É necessário proteção passiva

para uma temperatura crítica de qa,cr = 638 ºC

tfi,d < trequ = 60 min

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60

Tem

pera

ture

[ºC

]

Time [min.]

400 m-1

300 m-1

200 m-1

100 m-1

60 m-1

40 m-1

30 m-1

25 m-1

20 m-1

15 m-1

10 m-1

638ºC

Tempo crítico com a curva ISO 834

Usando o Nomograma

18

1193 m.V

Ak m

sh

Caso de estudo


11351.133 mV

Am

Espessura da tinta intumescente

... 600ºC , 620ºC, 650ºC, ...

qa,cr = 638 ºC

X

Caso de estudo


Se, em vez de uma temperatura crítica de 638ºC, fosse usada

uma temperatura de 500ºC, seria necessária uma espessura de

0,605 mm.

qcr = 638ºC => e = 0,402 mm

qcr = 500ºC => e = 0.605 mmMais do que 50%

Em alguns países incluindo Portugal, são fornecidas

temperaturas críticas por defeito se nenhum cálculo for feito.

Normalmente para pilares e outros elementos em que pode

ocorrer instabilidade é sugerida uma temperatura crítica de

500ºC.

Espessura da tinta intumescente

Caso de estudo


Mostrou-se, num caso concreto, que não calcular a temperatura

crítica pode corresponder a um gasto de tinta intumescente

superior a 50% relativamente ao uso de temperaturas críticas por

defeito.

Alguns países, incluindo Portugal, permitem a utilização de

temperaturas críticas por defeito, se nenhum cálculo for

efetuado.

Conclusões

Bibliografia

• Paulo M. M. Vila Real – Incêndio em Estruturas Metálicas – Cálculo Estrutural, Edições

Orion, 2003.

• Franssen, J.-M., Vila Real P. M. M., Fire Design of Steel Structures, ECCS ed., 2015.

• NP EN 1990, Eurocódigo: Bases para o projecto de estruturas, 2009.

• NP EN 1991-1-2, Eurocódigo 1: Acções em estruturas. Parte 1-2: Acções gerais. Acções em

estruturas expostas ao fogo, 2010.

• NP EN 1993-1-2, Eurocódigo 3: Projecto de estruturas de aço. Parte 1-1: Regras gerais e

regras para edifícios, 2010.

• Vila Real, P., Franssen, J. M. – Elefir-EN V1.2.3 (2010), Software for fire design of steel

structural members according the Eurocode 3. http://elefiren.web.ua.pt.

Obrigado pela Vossa atenção.

Paulo Vila RealProf. Catedrático da Universidade de Aveiro

[email protected]

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