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UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI
ALEXANDRE REBOLEDO
PAULO ROGÉRIO VEIGA SILVA
TATIANE ARAÚJO CORDEIRO
ANÁLISE COMPORTAMENTAL DAS CARGAS
DE INCÊNDIO EM ESTRUTURAS
SÃO PAULO 2010
2
Orientador: Prof. Me. Calebe Paiva Souza
ALEXANDRE REBOLEDO
PAULO ROGÉRIO VEIGA SILVA
TATIANE ARAÚJO CORDEIRO
ANÁLISE COMPORTAMENTAL DAS CARGAS
DE INCÊNDIO EM ESTRUTURAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi
SÃO PAULO 2010
3
Trabalho____________ em: ____ de_______________de 2010.
______________________________________________
Prof. Me. Calebe Paiva Souza
______________________________________________
Nome do professor da banca
ALEXANDRE REBOLEDO
PAULO ROGÉRIO VEIGA SILVA
TATIANE ARAÚJO CORDEIRO
ANÁLISE COMPORTAMENTAL DAS CARGAS
DE INCÊNDIO EM ESTRUTURAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi
Comentários:_________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
4
Dedicamos este trabalho em especial as nossas filhas Bruna e Laura Reboledo,
Letícia Silva e Ana Beatriz Cordeiro.
Aos nossos familiares que sempre estiveram ao nosso lado.
5
AGRADECIMENTOS
Agradecemos aos nossos pais que nos guiaram até aqui, sempre acreditando e
apoiando nos momentos difíceis.
Ao nosso professor Me. Calebe, pela orientação sensata e pelo incentivo com que
conduziu este trabalho e, principalmente pela amizade e apoio constante.
Pelo apoio dos nossos amigos Simone Santana, Sabrina Thomaz, Aristides Simões,
Malio Akihiko, Hilton Alexandre e Rafael Almeida sempre cooperaram e nos
aconselharam ao longo deste curso.
A todos os professores da Universidade Anhembi Morumbi que de alguma forma
contribuíram em nossa formação.
6
RESUMO
O estudo do comportamento de estruturas em situação de incêndio tem adquirido
recentemente a atenção especial da comunidade científica com a finalidade de
analisar a capacidade resistente das estruturas em função dos materiais que as
constituem. Existem várias dificuldades práticas para a análise de situações em
escala real, contudo, com o desenvolvimento de métodos numéricos e programas
computacionais, meios de solucionar possíveis equívocos.
Foi abordado o contexto histórico e a evolução dos estudos do comportamento do
incêndio abrangendo: a modelagem do incêndio, a análise térmica e a análise
estrutural quanto as características à perda da resistência e módulo de elasticidade
dos materiais utilizados em estruturas, concreto, aço e madeira e os materiais para a
proteção térmica que podem retardar a perda da resistência na estrutura.
No estudo de caso, citam-se as exigências da lei quanto à verificação estrutural nas
edificações. São apresentados os danos em uma edificação depois de ocorrido
incêndio. A partir disso, desenvolve-se, então, um comparativo entre o método
tabular e tempo equivalente para uma nova edificação, a qual o comportamento da
carga de incêndio foi analisada por meio do software FTOOL e foi possível ser
verificada a tendência desta estrutura, bem como a temperatura que essa estrutura
tende a atingir pela curva de incêndio padrão.
Na análise de transferência de calor pelo método dos elementos finitos são
apresentados modelos de estudo da literatura pesquisada tanto para estrutura
metálica quanto de concreto e comparados com os valores referenciais das normas.
É apresentado o comportamento de uma estrutura isostática (viga apoiada metálica)
e analisada as diferenças entre o comportamento com a estrutura hiperestática do
pórtico por meio do software FTOOL.
Palavra chave: aço, concreto, incêndio, modelos numéricos, análise térmica e
análise estrutural.
7
ABSTRACT
The behavior of fire loading in structures has recently acquired the special attention
from the scientific community in order to analyze the resistance of structures
depending on the material used. There are several practical difficulties for the
analysis of situations in real scale, however, with the development of numerical
methods and softwares that it is possible to solve some mistakes.
This paper has approached the history context and evolution of the fire loading
studies including: fire modeling, thermal and structural analysis that stands the
resistance and stiffness reduction due to the materials used in the structures,
concrete, steel and wood. The thermal protection materials are described to increase
the resistance of the structure
In the study case it focuses on the law's requirements regarding the structural
analysis. The damages in a building after fire occurred are presented, then a
comparison is developed between the tabular method and equivalent time for a new
building. The behavior of the fire loading in the study of a new building in which the
loads are analyzed using the FTOOL and could be observed the tendency of this
structure and the temperature tends to reach the elements by the standard fire curve.
In the analysis of heat transfer by finite element method models are presented for the
study of literature for both concrete and steel structure and compared with reference
values of the norms and standards.
The structural behavior of the fire loading is done in a linear section of an isostatic
structure (steel beam supported) and analyzed the differences between the behavior
with the hyperstatic structure through the software FTOOL.
Key words: steel, concrete, fire, numerical models, thermal analysis, structural
analysis.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 5.1 - Triângulo do fogo e quadrilátero do fogo 23
Figura 5.2 – Fases típicas do desenvolvimento do incêndio 29
Figura 5.3 - Curvas Nominais EN 1991-1-2 (EUROCODE, 2000) 31
Figura 5.4 - Curva Nominal RWS 32
Figura 5.5 - Variação da resistência dos materiais em função da temperatura 35
Figura 5.6 - Variação do módulo de elasticidade em função da temperatura 35
Figura 5.7 - Fenômenos associados ao Spalling 36
Figura 5.8 – Situação das estruturas após incêndio. (a) elemento isolado de aço, (b)
Spalling em pilar de concreto e (c) carbonização da madeira. 36
Figura 5.9 – Fator de redução da resistência do concreto x temperatura 38
Figura 5.10 – Fator de redução do módulo de elasticidade do concreto em função da
temperatura 38
Figura 5.11 – Fator de redução da resistência do aço de armadura passiva em
função da temperatura 40
Figura 5.12 – Fator de redução do módulo de elasticidade do aço de armadura
passiva em função da temperatura 41
Figura 5.13 – Fator de redução da resistência no aço de armadura ativa em função
da temperatura 42
Figura 5.14 – Fator de redução modulo de elasticidade da armadura ativa em função
da temperatura 42
Figura 5.15 – Condutividade térmica da madeira e camada carbonizada 45
Figura 5.16 – Calor específico da madeira e camada carbonizada 46
Figura 5.17 – Densidade para U inicial 12% carbonizada 46
Figura 5.18 – Fator de massividade para alguns elementos estruturais 56
Figura 5.19 – Modelagem com o programa SMARTFIRE 69
Figura 5.20 - Recurso de animação do Vulcan onde se pode ver em um lapso de
tempo a animação da estrutural durante o período de análise 69
Figura 5.21 – Modelagem com o programa OZONE 70
Figura 5.22 - Tela de análise do SAFIR 71
Figura 5.23 – Representação TRRF no CAD/TQS 71
9
Figura 5.24 – Resultados obtidos durante a verificação da estrutura em situação de
incêndio ACAD/TQS 72
Figura 5.25 – Modelo de análise da estrutura em situação de incêndio ACAD/TQS 73
Figura 5.26 – Detalhes análise da estrutura em situação de incêndio ACAD/TQS 73
Figura 5.27 – Entrada de dados da temperatura FTOOL 74
Figura 6.1 – Pilar e piso de concreto danificados situação de “Spalling” 77
Figura 6.2 – Piso danificado pelo incêndio “Spalling” 77
Figura 6.3 – Vista pilares que se mantiveram após o incêndio 78
Figura 6.4 – Planta e corte esquemático depósito 79
Figura 6.5 – Pilar misto quadrado preenchido com concreto 86
Figura 6.6 – Viga metálica simplesmente apoiada 88
Figura 6.7 – Deformações viga metálica em função da temperatura 88
Figura 6.8 – Detalhe perfil 89
Figura 6.9 - Pórtico hiperestático em análise 90
Figura 6.10 – Curva do tempo x temperatura do aço 90
Figura 6.11 – Diagrama de esforços normais 91
Figura 6.12 – Diagrama de forças cortantes 91
Figura 6.13 – Diagrama de momentos fletores 92
Figura 6.14 – Diagrama das deformadas 92
Figura 6.15 – Diagrama de esforços no Ponto A (Engaste Pilar) 93
Figura 6.16 – Diagrama de esforços no Ponto B (Pilar x Viga) 94
Figura 6.17 – Diagrama de esforços no Ponto C (Centro da Viga) 94
Figura 6.18 – Reação Horizontal (kN) de apoio 95
Figura 6.19 – Deslocamentos no Pórtico 95
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1 - Principais incêndios em edifícios altos na cidade de São Paulo. 21
Tabela 5.2 – Fatores e suas influências na severidade do incêndio e segurança da
vida e patrimônio. 25
Tabela 5.3 – Temperatura dos gases em função do tempo 32
Tabela 5.4 – Fatores de redução do aço 43
Tabela 5.5 – Coeficiente de dilatação térmica da madeira a temperatura ambiente 47
Tabela 5.6 – TRRF – Decreto Estadual 46.076 de 31 de agosto de 2001. 48
Tabela 5.7 – Acondicionamento 51
Tabela 5.8 – Valores de potencial calorífico específico 51
Tabela 5.9 – Fatores de medida de segurança contra incêndio 52
Tabela 5.10 – Características da edificação 52
Tabela 5.11 – Risco de ativação 52
Tabela 5.12 – Fator K 53
Tabela 5.13 – Valores do Fator E 54
Tabela 5.14 – Classificação dos materiais 57
Tabela 5.15 - Gradiente térmico ∆Ө ( º C) 62
Tabela 5.16 – Dimensões mínimas para lajes apoiadas em vigas 65
Tabela 5.17 - Dimensões mínimas para lajes lisas ou cogumelo 65
Tabela 5.18 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas biapoiadas 65
Tabela 5.19 - Dimensões mínimas para vigas biapoiadas 66
Tabela 5.20 - Dimensões mínimas para vigas contínuas de concreto armado, em
situação de incêndio 66
Tabela 6.1 – Propriedades térmicas do perfil laminado IPE 400 84
Tabela 6.2 – Temperatura Média ºC 84
Tabela 6.3 – Temperaturas médias obtidas via MDF com e sem discretização do
material de proteção 85
Tabela 6.4 – Comparação dos resultados em relação a temperatura 85
Tabela 6.5 – Comparação da temperatura obtida nas umidades 2% e 4% 85
Tabela 6.6 – Análise Ansys Viga metálica isostática e hiperestática 87
Tabela 6.7 – Módulo de Elasticidade em função da temperatura 93
11
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas
CFD = Computacional Fluids Dinamic
CT = Comissão Técnica
CBPMESP = Corpo de Bombeiros da Polícia Militar de São Paulo
DIN = Deutsches Institut für Normung
EUROCODE = European Committee for Standardization
FLA = Flambagem local da mesa comprimida
FLM = Flambagem local da Alma
FLT = Flambagem lateral
ISO = International Organization for Standardization
IT = Instrução Técnica
MDF = Método das diferenças finitas
MEF = Método dos elementos Finitos
TRRF = Tempo Requerido de Resistência ao fogo
UFMG = Universidade Federal de Minas Gerais
12
LISTA DE SÍMBOLOS
= área;
= área do piso;
= área de ventilação horizontal;
= área total do compartimento (paredes, tetos e pisos, incluindo aberturas);
= área de ventilação vertical;
= elemento de compartimentação;
= calor específico;
= módulo de elasticidade;
F = índice de massividade;
= valor característico de uma ação;
= resistência característica do concreto;
= resistência característica do aço;
H = altura;
= fator de redução de resistência / módulo de elasticidade;
K = coeficiente da condutividade térmica;
= comprimento;
= carga de incêndio;
t = tempo;
u = perímetro;
V = grau de ventilação do compartimento;
W = fator relacionado a ventilação do ambiente;
= coeficiente adimensional / coeficiente de segurança;
= alongamento provocado pela variação de temperatura;
= condutividade térmica do material;
= massa específica;
= temperatura;
13
SUMÁRIO
p.
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16
2. OBJETIVOS ....................................................................................................... 17
2.1 Objetivo Geral ........................................................................................................... 17
2.2 Objetivo Específico ................................................................................................. 17
3. MÉTODO DE TRABALHO ................................................................................ 18
4 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 19
5 ANÁLISE COMPORTAMENTAL DAS CARGAS DE INCÊNDIO EM
ESTRUTURAS .......................................................................................................... 20
5.1 Histórico ..................................................................................................................... 20
5.2 Conceitos ................................................................................................................... 23
5.2.1 Definição de incêndio ............................................................................................ 23
5.2.2 Temperatura ........................................................................................................... 26
5.2.3 Tipos de Proteção .................................................................................................. 27
5.2.4 Flashover ................................................................................................................. 28
5.2.5 Modelagem do incêndio ........................................................................................ 29
5.2.6 Incêndio padrão ..................................................................................................... 30
5.3 Principais materiais de construção utilizados em estruturas e suas
características ...................................................................................................................... 33
5.3.1 Concreto .................................................................................................................. 37
5.3.2 Aço ........................................................................................................................... 39
5.3.3 Madeira .................................................................................................................... 43
5.4 Métodos de Dimensionamento do TRRF .......................................................... 47
5.4.1 Método tabular ....................................................................................................... 47
5.4.2 Método do tempo equivalente ............................................................................. 49
5.4.2.1 Carga de incêndio .............................................................................................. 50
14
5.4.2.2 Coeficientes adimensionais ............................................................................. 51
5.4.2.3 Coeficientes de segurança ............................................................................... 52
5.4.2.4 Fator “K” .............................................................................................................. 53
5.4.2.5 Fator relacionado à ventilação do ambiente ................................................. 53
5.4.2.6 Fator de correção estrutural ............................................................................. 54
5.4.3 Calculo do índice de massividade ....................................................................... 55
5.5 Materiais utilizados para proteções contra incêndio ..................................... 55
5.5.1 Classificação dos materiais .................................................................................. 55
5.5.2 Materiais Projetados .............................................................................................. 57
5.5.3 Placas rígidas ......................................................................................................... 58
5.5.4 Tintas intumescentes ............................................................................................ 58
5.5.5 Materiais incorporados no concreto .................................................................... 59
5.6 Dimensionamento das cargas de estruturas ................................................... 59
5.6.1 Ações, segurança e resistência de cálculo NBR 14323 (ABNT, 1999) ........ 60
5.6.1.1 Método simplificado ........................................................................................... 61
5.6.1.2 Temperatura crítica ........................................................................................... 64
5.6.2 Segundo a NBR 15200 (ABNT, 2004) ............................................................... 64
5.6.3 Segundo a EUROCODE ....................................................................................... 66
5.7 Avaliações de utilização em projetos ................................................................ 67
5.7.1 Programas específicos para análise de estruturas em incêndio ................... 68
5.7.2 Programas convencionais adaptados para incêndio ....................................... 71
6 ESTUDO DE CASO ........................................................................................... 76
6.1 Incêndio ocorrido em galpão industrial ............................................................ 76
6.2 Verificação estrutural ............................................................................................. 78
6.3 Análise do TRRF entre o método tabular e o tempo equivalente ............... 80
6.3.1 Análise pelo método tabular ................................................................................. 80
6.3.2 Análise pelo método do tempo equivalente....................................................... 81
6.3.3 Aferição dos resultados ........................................................................................ 83
6.4 Modelo para transferência de calor .................................................................... 83
15
6.5 Análise comportamental das cargas de incêndio .......................................... 86
6.6 Comportamento de vigas ...................................................................................... 87
6.7 Comportamento pórtico plano ............................................................................. 89
7 ANÁLISE DOS RESULTADOS ......................................................................... 97
8 CONCLUSÕES .................................................................................................. 99
9 RECOMENDAÇÕES........................................................................................ 100
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 101
ANEXO A ................................................................................................................ 105
16
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento tecnológico trouxe profundas modificações nos sistemas
construtivos, caracterizadas pela utilização de grandes áreas sem
compartimentação, pelo emprego de fachadas envidraçadas e pela incorporação
acentuada de materiais combustíveis aos elementos construtivos. Tais modificações,
aliadas ao número crescente de instalações e equipamentos de serviço, introduziram
riscos que anteriormente não existiam nas edificações.
A segurança de incêndio deve levar em conta parâmetros como o comportamento da
estrutura em temperatura elevada, a exposição ao calor e os benefícios dos meios
de proteção ativa e passiva.
Os materiais modernos de construção que são usados nas edificações levam à
necessidade de se conhecer seus comportamentos em situação de incêndio. Os
riscos podem variar muito com o uso de novos materiais sem controle de sua reação
e resistência ao fogo; dessa maneira, torna-se necessário ensaiar todos os materiais
e sistemas construtivos do mercado, o que nem sempre tem sido feito.
Como quanto maior a complexidade maior o risco, quanto mais sofisticado, quanto
maiores e mais altas forem as edificações, maiores os cuidados com a inspeção,
com o projeto, com a construção, com o funcionamento e com mudanças de uso.
Novos riscos são gerados diariamente e a partir de grandes desastres o
conhecimento e maior domínio sobre o incêndio se fizeram necessários.
Com o desenvolvimento da tecnologia por meio de softwares é possível determinar e
desenvolver análise do comportamento global de estruturas e de forma adequada
verificar o desempenho da estrutura.
17
2. OBJETIVOS
Este trabalho descreve o comportamento das estruturas em situação de incêndio e
os materiais usuais na construção civil (concreto, aço e madeira).
2.1 Objetivo Geral
Estudar os métodos para a verificação de uma estrutura em situação de incêndio e
apresentar soluções para minimizar o efeito da temperatura sobre os materiais.
2.2 Objetivo Específico
Discutir parâmetros de cálculo e dimensionamento por meio das normas brasileiras e
outras referências como normas estrangeiras (Eurocode).
Verificar soluções e meios para controlar as cargas excepcionais provocadas pelo
calor específico.
Fazer um comparativo entre diversos tipos de materiais utilizados e o
comportamento nas estruturas isostáticas e hiperestáticas.
Identificar, se possível, os motivos pelos quais a análise de incêndio não é
costumeiramente considerada como variável em projetos estruturais.
18
3. MÉTODO DE TRABALHO
A elaboração deste trabalho de conclusão de curso foi composto de diferentes
recursos, visando obter maior êxito no estudo e no material adquirido, com a
finalidade de atender os objetivos propostos.
A pesquisa foi dividida em pesquisa bibliográfica, visita técnica e elaboração de
estudo de caso, bem como, pesquisa em sites específicos, visando obter
informações atualizadas.
Para conhecer as tecnologias utilizadas na atualidade foram pesquisados: materiais
em livros e artigos técnico-científicos, teses de mestrado e doutorado.
Devido à complexidade do assunto foram coletadas informações das obras, tendo os
projetos e fotos como objeto de análise.
Durante a pesquisa, foi dada especial atenção para a legislação e normas técnicas
brasileiras, instrução técnica do corpo de bombeiros e a Eurocode, onde foram
analisados os fatores de segurança e exigências pelos órgãos competentes.
Verificar as tendências e metodologias empregadas nas empresas de projetos
estruturais, por meio de catálogos de diferentes fornecedores para obter uma melhor
opção de estudo, além de pesquisa de ensaios tecnológicos e procedimentos
técnicos utilizados em estruturas com temperaturas altas.
19
4 JUSTIFICATIVA
A carga de incêndio depende de um conjunto extenso de parâmetros que, por sua
variabilidade é de difícil definição nos projetos.
Neste cenário, a introdução de critérios para conhecer o comportamento das
estruturas em cada tipo de edificação é objeto de estudos científicos e acadêmicos,
utilizando “softwares” de cálculos pelo método dos elementos finitos e ensaios reais
nas mais adversas condições.
Este estudo visa conhecer os aspectos que influenciam as estruturas em altas
temperaturas destacando-se a redução da resistência mecânica e o módulo de
elasticidade dos elementos estruturais da edificação, conduzindo a deformações
adicionais, podendo levar a estrutura ao colapso.
No estudo do comportamento de estruturas em situação de incêndio, três etapas são
importantes: modelagem do incêndio, análise térmica e análise estrutural. (CALDAS,
2008). A análise estrutural entre os diversos tipos de materiais: aço, concreto e
mistas mostra comportamentos diferentes em situação de incêndio e é
imprescindível conhecer as vantagens e desvantagens de cada material em situação
de incêndio.
Convém lembrar que a estaticidade também é relevante no comportamento da
estrutura em situação de incêndio sendo que as estruturas isostáticas sofrem
apenas deformações adicionais enquanto que nas hiperestáticas surgem esforços
internos adicionais.
Estima-se que o risco de morte em um incêndio comparado ao sistema de transporte
pode ser até 60 vezes menor. Visto que a asfixia é a principal causa de morte, o
risco devido o colapso estrutural é ainda menor. Contudo a importância de preservar
a estrutura de uma edificação é relevante para manter o bem patrimonial interno
instalado, minimizar os danos em edificações vizinhas e garantir maior
sustentabilidade da edificação.
20
5 ANÁLISE COMPORTAMENTAL DAS CARGAS DE INCÊNDIO EM
ESTRUTURAS
5.1 Histórico
A evolução dos estudos em incêndio se deve à mudança de conceitos. No princípio
o incêndio era considerado com sendo uma obra do acaso. Contudo, nos dias atuais
sabe-se que o incêndio é uma ação controlável, desde que os meios de proteção
sejam utilizados, e as vítimas ou a perda do patrimônio são conseqüências da
ignorância ou ato criminoso.
A segurança contra incêndio engloba: medidas de prevenção, extinção, segurança
estrutural, rotas de saída para rápida evacuação, etc.
Historicamente a necessidade de segurança em todos os níveis tais como estrutural,
utilização, prevenção e combate, surgiu depois de ocorridos os desastres. Fatores
como adensamento dos centros urbanos, a arquitetura, o sistema construtivo,
predomínio do uso de madeiras como estrutura, tornaram-se meio fácil de
propagação e produção de incêndios.
Em 1666, a cidade de Londres foi destruída em quase 75% de sua área após um
incêndio que durou por 3 dias, sendo o mais significativo até o momento e
denominado como The Great Fire. Este foi o ponto de partida para a adoção de
medidas de proteção contra incêndio, tornando-se a regulamentação precursora das
regulamentações atuais.
Nos Estados Unidos, mesmo após desenvolvimento de técnicas e materiais contra
incêndio, eclodiram grandes incêndios em Chicago no século XIX, fatos que
aumentaram a preocupação com a segurança patrimonial.
Internacionalmente a Suíça por meio da SIA (Societé Suisse des Ingénieurs et des
Architectes), foi a pioneira a adotar métodos de avaliação de riscos de incêndio por
21
meio da SIA – 81 “Método de avaliação de risco de incêndio”, em 1984 tendo por
princípio os trabalhos de Gretener. Posteriormente, estes trabalhos serviram de base
para as normas austríacas TRVB A-100 (cálculo) e TRVB A-126 (parâmetros de
cálculo) publicadas em 1987.
O EUROCODE 1 (1995), e DIN 18230 (1987), incorporam de maneira simplificada o
método de Gretener.
Os registros e a maioria das informações de incêndios ocorridos no Brasil devem-se
aos registros CBPMESP, criada em 1880, de acordo com Bonitese (2007).
Destacam-se os incêndios do edifício Andraus 1972, e do edifício Joelma em 1974,
como mostrado na Tabela 5.1
Tabela 5.1 - Principais incêndios em edifícios altos na cidade de São Paulo.
Data do incêndio Edifício Número de Andares Vítimas
pavimentos atingidos fatais
13/01/1969 Grande Avenida 23 5º ao 18º 0
24/02/1972 Andraus 31 1º ao 29º 16
01/02/1974 Joelma 25 12º ao 25º 179
04/09/1978 Conjunto Nacional 26 1º ao 9º 0
09/04/1980 Secretaria da Fazenda 22 13º ao 14º 0
14/02/1981 Grande Avenida 23 1º ao 19º 17
03/06/1983 Scarpa 17 12º ao 13º 0
21/05/1987 Torres da CESP 21 e 17 todos 2
Fonte: Bonitese (2007)
Em 1994, o corpo de Bombeiros de São Paulo publicou uma Instrução Técnica
outorgando diretrizes para o projeto de estruturas metálicas. Não foram incluídas
recomendações para estruturas em concreto, por já existir a norma NBR: 5627
(ABNT, 1980) “Exigências particulares das obras de concreto armado e protendido
em relação à resistência ao fogo”. A atitude do CBPMESP foi adequada, porém as
exigências de segurança foram consideradas excessivas e inflexíveis. A IT, no
entanto, incentivou o interesse pelo tema dos meios técnicos, acadêmicos e
industriais (SILVA, 2010).
22
A partir deste cenário, em 1996 foi criada a Comissão de Estudos CE-24:301-06 pela
ABNT com objetivo de criar uma norma específica para proteção contra fogo em
estruturas metálicas, resultando em 1999 a NBR 14323 (ABNT, 1999)
“Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio” e em
seguida devido a necessidade foi criada a NBR: 14432 (ABNT, 2000) “Exigências de
resistência de elementos construtivos das edificações”, sendo válida
independentemente do material (concreto, aço, alvenaria, madeira, etc.) utilizado.
A NBR 5627 (ABNT, 1980) foi cancelada em 2001. A partir de 2004 as estruturas de
concreto passaram a ter norma específica, a NBR 15200 (ABNT, 2004) “Projeto de
estruturas de concreto em situação de incêndio”. A IT do CBPMESP de acordo com
Silva (2010), revisada, é compatível com as Normas Brasileiras.
O estudo da modelagem de um compartimento em situação de incêndio pode ser
feito por meio de ensaios experimentais ou desenvolvidos por modelos numéricos.
Devido ao alto custo dos ensaios, estes ainda são modestos no Brasil, portanto os
modelos numéricos são relevantes nesta realidade para simular o comportamento
das estruturas submetidas a incêndio. No caso das propriedades dos elementos dos
materiais (concreto, aço e madeira) isoladamente os ensaios experimentais são mais
utilizados.
Mesmo que bem documentados os “incêndios acidentais” e o conhecimento das
propriedades físicas dos materiais, podem dar apenas indícios do comportamento
estrutural. Porém, é impossível reconstruir o cenário completo, incluindo o
desenvolvimento da temperatura e propagação do incêndio (CALDAS, 2008).
Realizar experimentos somente em elementos individuais pode levar a uma situação
diferenciada do real. Foi desenvolvido pela Britain British Steel na década de 90 um
grande projeto experimental que consistia em edifício de 8 pavimentos, típico de um
escritório moderno, em Cardington, Reino Unido, possibilitando entender as
complexas interações que ocorrem durante um incêndio e sendo capaz de produzir
modelos numéricos.
23
5.2 Conceitos
Apresentam-se os conceitos básicos do incêndio, descrição das características de
um incêndio, das proteções ativa e passiva de combate ao incêndio e apresentar os
tipos de modelagens e as curvas que representam um incêndio, tais como: curvas
paramétricas, nominais, TRRF e Tempo Equivalente.
5.2.1 Definição de incêndio
O fogo é uma reação química que fornece calor, luz e chama e só é possível
acontecer devido à presença de três elementos básicos: combustível, oxigênio e
calor, conhecido como o triângulo do fogo conforme Figura 5.1.
Figura 5.1 - Triângulo do fogo e quadrilátero do fogo
Fonte: Caldas (2008)
O produto da combustão dos materiais sólido, líquido e gasoso, com a liberação de
luz e calor, tornando-se uma reação em cadeia, apresentando uma quarta condição
a qual é representada pelo tetraedro, ou quadrilátero do fogo conforme Figura 5.1.
Para Caldas (2008), existem três pontos notáveis da combustão: ponto de fulgor,
ponto de combustão e ponto de ignição. O ponto de fulgor é a temperatura mínima
na qual o combustível começa a desprender vapores, que se incendeiam em contato
com uma chama ou centelha (agente ígneo), mas sem que a chama se mantenha
devido à insuficiência da quantidade de vapores. O ponto de combustão ou
inflamação é a temperatura mínima na qual o corpo combustível começa a
24
desprender vapores, que se incendeiam em contato com um agente ígneo e
mantém-se queimando, mesmo com a retirada do agente ígneo. O ponto de ignição
é a temperatura na qual os gases desprendidos do combustível entram em
combustão apenas pelo contato com o oxigênio do ar, independentemente de
qualquer agente ígneo.
Além do incêndio propriamente dito é importante definir a segurança contra incêndio
que segundo a IT- 03 (CBPMESP, 2004), “é conjunto de ações e recursos, internos
e externos à edificação e áreas de risco, que permitem controlar a situação de
incêndio”.
Com o objetivo de minimizar o risco de morte e a perda patrimonial, os
requerimentos de segurança contra incêndio para edificações no Brasil são
expressos por leis como, por exemplo, em São Paulo a lei 684 de 30 de setembro de
1975 e a lei 14130 de 19 de dezembro de 2001 do estado de Minas Gerais.
As leis têm o intuito de que os projetistas reflitam sobre os riscos que um incêndio
pode acarretar. A Tabela 5.2 apresenta um resumo de alguns fatores e suas
influências na severidade do incêndio e segurança da vida do patrimônio.
Em um incêndio haverá a combinação e/ou falha de diversos tipos destes fatores
citados na Tabela 5.2. No âmbito estrutural, a falha de um pilar pode levar à falha da
estrutura ou uma redistribuição de carga entre os demais pilares deixando-os
sobrecarregados e correndo o risco do colapso podendo ser potencialmente
desastroso no caso das estruturas hiperestáticas. De acordo com Caldas (2008),
deve sempre ser previsto nos pilares a resistência em situação de incêndio para que
não ocorram falhas extremas. As vigas comportam-se perdendo a resistência e a
rigidez ocasionando grandes deslocamentos, considerando que permaneçam
ligadas nas extremidades, e que a as lajes sobrepostas não entrem em colapso, os
efeitos serão somente locais. Neste caso necessita-se avaliar a influência das vigas
na estabilidade dos pilares, sobretudo nos de extremidade. Com relação as lajes se
estas falharem isoladamente ou apresentam fissuras como resultado de grandes
deslocamentos, o ponto de problema principal é a propagação do fogo de um andar
25
para o outro, este podendo ocorrer também devido a falha nas ligações entre vigas e
pilares.
Tabela 5.2 – Fatores e suas influências na severidade do incêndio e segurança da vida e
patrimônio.
Fatores Influência na Influência na Influência na
severidade do
incêndio segurança da vida
segurança do patrimônio
Carga de incêndio
A temperatura máxima de um incêndio depende da quantidade, tipo e distribuição do material combustível.
O nível de enfumaçamento, toxicidade e calor depende da quantidade, tipo e distribuição do material combustível.
O conteúdo da edificação é consideravelmente afetado por incêndios de grandes proporções
Ventilação
Em geral, o aumento da ventilação faz aumentar a temperatura do incêndio e diminuir sua duração
A ventilação mantém as rotas de fuga livres de níveis perigosos de enfumaçamento e toxicidade.
A ventilação facilita a atividade de combate ao incêndio por evacuação da fumaça e dissipação dos gases quentes.
Compartimentação
Quanto mais isolantes forem os elementos de compartimentação (pisos, tetos e paredes), menor será a propagação do fogo para outros ambientes, porém, o incêndio será mais severo no compartimento.
A compartimentação limita a propagação do incêndio.
A compartimentação limita a propagação do incêndio, restringindo as perdas.
Resistência das estruturas em situação de incêndio
A resistência das estruturas em situação de incêndio não afeta diretamente a severidade do incêndio.
A resistência das estruturas em situação de incêndio tem pequeno efeito na segurança à vida em edifícios de pequena altura ou área, por serem de fácil desocupação. Em edifícios altos é essencial a resistência em situação de incêndio, pois garante a segurança ao escape dos ocupantes, às operações de combate e à vizinhança.
O colapso estrutural pode trazer conseqüências danosas às operações de combate ou à vizinhança. Se o risco for pequeno, a verificação de resistência pode ser dispensada.
Rotas de fuga
Rotas de fuga bem sinalizadas, desobstruídas e seguras estruturalmente são essenciais para garantir a evacuação e dependem do tipo de edificação.
Reserva de água
Água e disponibilidade de pontos de suprimento são necessários para extinção do incêndio, diminuindo os riscos de propagação e seus efeitos à vida e ao patrimônio.
26
Fatores Influência na Influência na Influência na
severidade do
incêndio segurança da vida
segurança do patrimônio
Detecção de calor ou fumaça
A rápida detecção do incêndio, apoiada na eficiência da brigada contra incêndio e copo de bombeiros, reduzem o risco da propagação do incêndio.
A rápida detecção do início do incêndio, por meio de alarme, dá aos ocupantes rápido aviso da ameça, antecipando a desocupação.
A rápida detecção do início de um incêndio minimiza o risco de progação, reduzindo a região afetada pelo incêndio.
Chuveiros automáticos
Projeto adequado e manutenção de chuveiros automáticos são internacionalmente reconhecidos como um dos principais fatores de redução do risco de incêndio, pois contribuem, ao mesmo tempo, para a compartimentação, a detecção e a extinção.
Chuveiros automáticos limitam a propagação do incêndio e reduzem a geração de fumaça e gases tóxicos.
Chuveiros automáticos reduzem o risco de incêndio e seu efeito na perda patrimonial.
Hidrantes e extintores
Hidrantes, extintores e treinamento dos usuários da edificação, para rápido combate, reduzem o risco de propagação do incêndio e seu efeito ao patrimônio e à vida humana.
Brigada contra incêndio
A presença de pessoas treinadas para prevenção e combate reduz o risco de início e progração de um incêndio.
Além de reduzir o risco de incêndio, a brigada coordena e agiliza a desocupaçõa da edificação.
A presença da brigada contra incêndio reduz o risco e as consequentes perdas patrimoniais decorrentes de um incêndio.
Corpo de Bombeiros
Proximidade, acessibilidade e recursos do Corpo de Bombeiros otimizam o combate ao incêndio, reduzindo o risco de propagação.
Em grandes incêndios, o risco à vida é maior nos primeiros instantes. Dessa forma deve haver medidas de proteção independentes da presença do Corpo de Bombeiros. Um rápido e eficiente combate por parte do Corpo de Bombeiros reduz o risco à vida.
Proximidade, acessibilidade e recursos do Corpo de Bombeiros facilitam as operações de combate ao incêndio, reduzindo perdas estruturais e do conteúdo.
Projeto de segurança contra incêndio
Um projeto de engenharia de segurança contra incêndio deve prever um sistema adequado ao porte e à ocupação da edificação, de forma a reduzir o risco de início e propagação de um incêndio, a facilitar a desocupação e as operações de combate. Dessa forma reduz a severidade do incêndio, as perdas de vidas e patrimoniais.
Fonte: Vargas e Silva (2005) apud Caldas (2008)
5.2.2 Temperatura
A temperatura é gerada por meio da diferença de temperatura entre os elementos
sólidos e os gases gerando fluxo de calor que é transferido à estrutura existente. A
27
temperatura máxima atingida é utilizada para cálculo em projetos. As temperaturas
são divididas em atuante e crítica.
A temperatura atuante são aquelas determinadas por meio de softwares, pela
análise de um incêndio natural e por normas brasileiras e internacionais. É definida
por uma curva padrão de incêndio associado ao tempo requerido de resistência ao
fogo.
A temperatura crítica é a temperatura na qual a estrutura entra em colapso, isto é,
entra no estado plástico. Ela é comparada com a temperatura máxima atingida a fim
de garantir a segurança na estrutura. A temperatura máxima tem que ser menor que
a temperatura crítica (SILVA, 2001).
5.2.3 Tipos de Proteção
A proteção à vida humana e a segurança patrimonial são abordadas pelas normas e
pelas instruções técnicas. Subdivide-se a proteção e prevenção do incêndio em:
proteções ativas e passivas.
De acordo com a IT-03 (CBPMESP, 2004), “proteções ativas são medidas de
segurança contra incêndio que dependem de uma ação inicial para o seu
funcionamento, seja ela manual ou automática”. Os chuveiros automáticos
(sprinklers), os extintores, os hidrantes, brigada de incêndio, sistemas automáticos
de detecção de fumaça ou calor, sistema de exaustão de fumaça são consideradas
como proteções ativas.
A proteção passiva na mesma instrução é definida como “medidas de segurança
contra incêndio que não dependem da ação inicial para o seu funcionamento”. Rotas
de fuga, sinalização, controle da quantidade de materiais combustíveis incorporados
aos elementos construtivos, compartimentação vertical e horizontal são exemplos de
proteção passiva.
O dimensionamento da estrutura objeto deste estudo é considerado como proteção
passiva. Neste âmbito também são consideradas a compartimentação vertical
28
(paredes, parapeitos e portas) e horizontal (lajes), escada de segurança, rotas de
fuga, materiais retardantes à chama.
A característica da edificação e os riscos estão intimamente relacionados com as
proteções a serem determinadas, quando da execução do projeto.
5.2.4 Flashover
Os procedimentos de cálculo das estruturas em situação de incêndio em normas e
as relações temperatura-tempo dos gases baseiam-se no comportamento do
incêndio em compartimentos, o qual se distingue em três fases distintas para efeito
de cálculo: (1) crescimento do incêndio; (2) combustão permanente com aumento
rápido de temperatura; (3) redução da temperatura Figura 5.2.
Convém lembrar a dificuldade de se dimensionar a intensidade e a duração do
incêndio, devido a diversidade das condições, porém é possível com razoável
probabilidade, indicar para qualquer compartimento uma relação temperatura-tempo
com intuito de facilitar o estudo dos componentes resistentes da edificação.
A fase 1 é chamada de pré-flashover e flashover, sendo esta relevante para
engenharia estrutural . Durante o pré-flashover os gases quentes e fumaça são
liberados. Os gases acumulam-se na parte superior do compartimento incendiado,
criando com as entradas de ar (janelas e portas) duas zonas: sendo a superior de
gases quentes e a inferior de ar fresco e no meio conhece-se por linha neutra. Para
efeito de cálculo admite-se que o incêndio continua a evoluir e o fenômeno em que
todos os materiais encontram-se envolvidos pelo fogo é conhecido por flashover
(inflamação generalizada). O flashover está associado principalmente ao fluxo de
calor recebido pelos materiais que ainda não entraram em combustão (CALDAS et
al., 2008).
Posteriormente ao flashover ocorre a fase pós-flashover (2) conhecida pelo aumento
da temperatura rapidamente, ficando difícil a extinção e o combate do incêndio.
Nesta etapa, concentra-se então em prevenir a propagação do incêndio para os
29
outros compartimentos. Obter a relação temperatura-tempo é o principal objetivo na
fase pós-flashover.
Segundo Caldas (2008) esta é a fase mais relevante para engenharia estrutural, pois
os danos a estrutura também atingem o máximo. Após um período de combustão,
muitos materiais são consumidos e a taxa de combustão começa a diminuir,
indicando então o ponto em que começa o decréscimo na taxa de calor liberado
entrando na fase (3) a qual as temperaturas diminuem e o incêndio se extingue ao
ponto em que todos os materiais combustíveis são consumidos.
Figura 5.2 – Fases típicas do desenvolvimento do incêndio
Fonte: Bonitese (2007)
5.2.5 Modelagem do incêndio
A modelagem do comportamento de incêndio tem sido desenvolvida por diversos
pesquisadores e pode ser dividida em três grupos: modelos analíticos, modelagem
por zonas e modelagem computacional utilizando dinâmica dos fluídos (CFD).
O modelo analítico é o menos complexo dos três e onde as normas são
fundamentadas. Exemplos de modelos analíticos das normas brasileiras NBR 14323
(ABNT, 1999) são as curvas de incêndio padrão que por meio destas o TRRF indica
a máxima temperatura onde o mesmo é tabelado restringindo o tipo de edificação a
ser projetado. Internacionalmente a EN 1991-1-2 (EUROCODE, 2002) indica as
curvas: de incêndio parametrizado e incêndio localizado.
30
A modelagem computacional (CFD) utiliza recursos com base nas equações
fundamentais da dinâmica dos fluídos, termodinâmica, mecânica e reações
químicas. Os softwares que utilizam esses modelos serão descritos no item 5.7,
neste caso os cálculos são resolvidos a partir da discretização do compartimento em
um grande número de volumes de controle, volumes finitos ou elementos finitos
(CALDAS, 2008).
A modelagem por zonas está no nível intermediário entre a modelagem analítica e a
modelagem (CFD). A diferença é que a divisão do incêndio é menor e fica em duas
grandes zonas praticamente: uma zona superior de gases quentes e uma zona
inferior de ar fresco, assumindo propriedades uniformes em cada zona como a
temperatura e a concentração de gases. Para Caldas (2008) os compartimentos
geometricamente regulares e também nos casos dos incêndios localizados (Pré-
flashover), a modelagem por zonas fornece um bom entendimento do
comportamento do incêndio. Nas edificações que possuem medidas de proteção
ativa e passiva eficientes para evitar a propagação do incêndio e extingui-lo na fase
Pré-flashover, nenhuma verificação adicional da estrutura será necessária.
5.2.6 Incêndio padrão
O incêndio padrão é uma representação por meio de curvas padronizadas Figura 5.3
com a finalidade de fornecer parâmetros de projetos, na modelagem analítica.
Segundo Silva (2001) é importante ressaltar que essa curva não representa um
incêndio real e quaisquer conclusões que tenham por base essa curva devem ser
analisadas com cuidado. A principal diferença entre essa curva e o incêndio real é
que a mesma é representada por uma curva ascendente admitindo que a
temperatura dos gases seja sempre crescente com o tempo, independente das
características do ambiente e da carga de incêndio.
31
Figura 5.3 - Curvas Nominais EN 1991-1-2 (EUROCODE, 2000)
Fonte: EN 1991-1-2, 2000 apud Caldas, 2008
De acordo com a NBR 14432 (ABNT, 2000) “incêndio padrão é a elevação
padronizada de temperatura em função do tempo”, dada pela equação (5.1) utilizada
para incêndios a base de materiais celulósicos:
345 (5.1)
onde:
é a temperatura dos gases, em graus Celsius no instante t;
é a temperatura do ambiente antes do início do aquecimento, em graus Celsius,
geralmente tomada igual a 20ºC;
é o tempo, em minutos;
A equação (5.1) também é prescrita nas normas EN 1991-1-2 (EUROCODE, 2002) e
ISO 834-1 (DIN, 1999). A Tabela 5.3 relaciona a temperatura em função dos gases
conforme a equação (5.1).
Para incêndio, devido à combustão de materiais formados por hidrocarbonetos, a EN
1991-1-2 (EUROCODE, 2002) apresenta a equação (5.2) para relação temperatura-
tempo:
(5.2)
32
Estruturas externas, localizadas fora do compartimento incendiado, porém podem
servir de ação de incêndio por meio das aberturas. Para estas a EN-1991-1-2
(EUROCODE, 2002) apresenta a equação (5.3):
(5.3)
Tabela 5.3 – Temperatura dos gases em função do tempo
Tempo (min) Temperatura (ºC) Tempo (min) Temperatura (ºC)
0 20 65 957
5 576 70 968
10 678 75 979
15 739 80 988
20 781 85 997
25 815 90 1006
30 842 95 1014
35 865 100 1022
40 885 105 1029
45 902 110 1036
50 918 115 1043
55 932 120 1049
60 945
Fonte: Silva (2001)
Para estruturas especiais como túneis, a curva de incêndio padrão não pode ser
utilizada. De acordo com ensaios realizados neste tipo de estrutura, foi criada a
curva RWS curve onde as temperaturas nos primeiros minutos são muito elevadas
conforme Figura 5.4. As temperaturas críticas chegam há aproximadamente 30
minutos e se mantém durante aproximadamente 2 horas (BREUNESE, 2010).
Figura 5.4 - Curva Nominal RWS
Fonte: Site Efectis Nederland (Acessado em Setembro 2010)
33
5.3 Principais materiais de construção utilizados em estruturas e suas
características
Os materiais sólidos são freqüentemente classificados em três grupos principais:
materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos ou plásticos. Esta
classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas
predominantes em cada grupo. Um quarto grupo, que foi incorporado nesta
classificação nas últimas décadas, é o grupo dos materiais compósitos.
Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles
apresentam um grande número de elétrons livres, isto é, elétrons que não estão
presos a um único átomo. Muitas das propriedades dos metais são atribuídas a
estes elétrons. Por exemplo, os metais são excelentes condutores de eletricidade e
calor e não são transparentes à luz. A superfície dos metais, quando polida, reflete
eficientemente a luz. Eles são resistentes, mas deformáveis. Por isto são muito
utilizados em aplicações estruturais.
Entre os quatros grupos de materiais mencionados anteriormente, os materiais
metálicos, e em particular os aços, ocupam um lugar de destaque devido à sua
extensiva utilização.
Os materiais cerâmicos são normalmente combinações de metais com elementos
não metálicos. Os principais tipos são: óxidos, nitretos e carbonetos. A esse grupo
de materiais também pertencem os argilo-minerais, o cimento e os vidros. A
cerâmica vermelha (telhas, tijolos e manilhas) e a cerâmica branca (azulejos,
sanitários e porcelanas) são constituídas principalmente de silicatos hidratados de
alumínio, tais como caulinita, haloisita, pirofilita e morilonita. O óxido de ferro é que
confere a cor avermelhada de muitos produtos cerâmicos.
Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais.
Os plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a
seda, o chifre, o algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de
macromoléculas orgânicas naturais. Os materiais poliméricos são geralmente leves,
34
isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e apresentam boa resistência à corrosão e
baixa resistência ao calor.
Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar
características desejáveis de dois ou mais materiais. Os materiais compósitos são
também conhecidos como materiais conjugados ou materiais compostos.
A madeira é um material compósito natural, em que a matriz e o reforço são
poliméricos. O concreto é outro compósito comum. Neste caso, tanto a matriz como
o reforço são materiais cerâmicos. No concreto, a matriz é cimento Portland e o
reforço é constituído de 60 a 80% em volume de um agregado fino (areia) e de um
agregado grosso (pedregulho). O concreto pode ainda ser reforçado com barras de
aço.
A capacidade resistente do concreto, do aço, das estruturas mistas, da madeira, da
alvenaria estrutural e do alumínio em situação de incêndio segundo a EN 1994-1-1
(EUROCODE, 2004) é reduzida em vista da degeneração das propriedades
mecânicas dos materiais (Figura 5.5 e Figura 5.6) ou da redução da área resistente.
Apesar de a redução das propriedades mecânicas do concreto e da madeira ser
mais acentuada, em função da temperatura, do que a do aço deve-se lembrar que a
temperatura média atingida por um elemento isolado de aço (Figura 5.8a) em
incêndio é geralmente maior do que a dos outros dois materiais. O aço e o alumínio
têm resistência e módulo de elasticidade reduzida quando submetidos a altas
temperaturas. Nas Figura 5.5 e Figura 5.6 apresentam-se a redução de resistência e
do módulo de elasticidade para espécies de madeira coníferas, aço, concreto e
alumínio.
35
Figura 5.5 - Variação da resistência dos materiais em função da temperatura
Fonte: Padilha (2000)
Figura 5.6 - Variação do módulo de elasticidade em função da temperatura
Fonte: Padilha (2000)
Segundo a EN 1992-1-2 (EUROCODE, 2004) o concreto, além da redução da
resistência, perde área resistente devido ao Spalling (Figura 5.7), quando uma
estrutura de concreto é aquecida, a distribuição de temperatura se espalha ao longo
da peça. Nas altas temperaturas, a fissuração interna e a desidratação levam a uma
perda de resistência do concreto gerando tensões térmicas de compressão ou
tração que devido a perda de umidade ocorre um aumento de pressão interna na
face exposta ao incêndio, aparecendo fissuras ou lascamento da superfície do
elemento de concreto submetido a um incêndio.
36
Figura 5.7 - Fenômenos associados ao Spalling
Fonte: Breunese e Fellinger (2004)
Em concretos de alta resistência pode ocorrer o Spalling explosivo, pela maior
dificuldade de percolação da água. O Spalling reduz a área resistente do concreto e
expõem a armadura ao fogo (Figura 5.8b). Já os elementos de madeira sofrem
carbonização na superfície exposta ao fogo, reduzindo a área resistente (Figura
5.8c) e realimentando o incêndio. A região central recebe proteção proporcionada
pela camada carbonizada, atingindo baixas temperaturas.
(a) (b) (c)
Figura 5.8 – Situação das estruturas após incêndio. (a) elemento isolado de aço, (b) Spalling
em pilar de concreto e (c) carbonização da madeira.
37
5.3.1 Concreto
O concreto tem uma estrutura interna altamente complexa e heterogênea, sendo
esta a dificuldade de sua compreensão. Entretanto, o conhecimento da estrutura e
das propriedades individuais dos materiais constituintes e da relação entre eles
auxilia a compreensão das propriedades dos vários tipos de concreto.
As propriedades térmicas de forma simplificada do concreto de densidade normal
conforme NBR 14323 (ABNT, 1999):
alongamento
calor específico
condutividade térmica
De acordo com a NBR 15200 (ABNT, 2004), a equação (5.4) e a Figura 5.9
descrevem a resistência a compressão quando o concreto está submetido a altas
temperaturas:
(5.4)
onde:
é a resistência característica à compressão do concreto em situação normal;
é o fator de redução da resistência do concreto na temperatura θ, conforme
Figura 5.9
38
Figura 5.9 – Fator de redução da resistência do concreto x temperatura
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
O módulo de elasticidade, outra propriedade comprometida quando o concreto
submetido a altas temperaturas também é fornecida na NBR 15200 (ABNT, 2004)
uma equação (5.5) e Figura 5.10:
(5.5)
onde:
é o módulo de elasticidade inicial do concreto em situação normal. Essa mesma
expressão vale para o módulo secante ;
é o fator de redução do módulo de elasticidade do concreto na temperatura θ,
conforme Figura 5.10.
Figura 5.10 – Fator de redução do módulo de elasticidade do concreto em função da
temperatura
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
39
5.3.2 Aço
O aço é uma liga de ferro e carbono com alguns elementos adicionais como silício,
manganês, fósforo, enxofre, podendo ter suas propriedades mecânicas alteradas por
meio de conformação mecânica ou tratamento térmico. O aumento do teor de
carbono eleva a resistência do aço, porém diminui sua ductilidade (capacidade de se
deformar).
De forma simplificada segundo a NBR 14323 (ABNT, 1999) podem ser utilizados os
valores a seguir para representar as propriedades térmicas:
alongamento
calor específico
condutividade térmica
Nas estruturas mistas de aço e de concreto, o aço é empregado nos perfis, nas
barras das armaduras, nos conectores de cisalhamento, nos parafusos e nas formas
metálicas incorporadas ao concreto em lajes mistas. Os perfis e as chapas das
formas são produtos laminados, as barras das armaduras e os fios de aço podem
ser laminados ou trefilados, os parafusos de alta resistência e os conectores são
fabricados com aço, podendo haver tratamento térmico para aumento de suas
resistências.
As armaduras empregadas no concreto podem ser do tipo ativa e passiva para a
alteração das propriedades de resistência ao escoamento e rigidez do aço das
armaduras a elevadas temperaturas devem ser obtidas na NBR 15200 (ABNT,
40
2004). A resistência ao escoamento para armadura passiva é representada pela
equação (5.6) e Figura 5.11:
(5.6)
onde:
é a resistência característica do aço de armadura passiva em situação normal;
é o fator de redução da resistência do aço de armadura passiva na temperatura
θ, conforme Figura 5.11;
- curva cheia aplicável quando > 2%, usualmente armaduras tracionadas de
vigas, lajes ou tirantes;
- curva cheia aplicável quando < 2%, usualmente armaduras comprimidas de
pilares, vigas ou lajes.
Figura 5.11 – Fator de redução da resistência do aço de armadura passiva em função da
temperatura
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
O módulo de elasticidade do aço da armadura passiva é representado pela Figura
5.12 e equação (5.7)
(5.7)
onde:
41
é o módulo de elasticidade do aço da armadura passiva em situação normal,
é o fator de redução do módulo de elasticidade do aço de armadura passiva na
temperatura θ, conforme Figura 5.12
Figura 5.12 – Fator de redução do módulo de elasticidade do aço de armadura passiva em
função da temperatura
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
As armaduras ativas são representadas pela equação (5.8) e Figura 5.13 para o
decréscimo da resistência ao escoamento do aço em função da temperatura:
(5.8)
onde:
é a resistência característica do aço de armadura ativa em situação normal
é o fator de redução da resistência do aço de armadura ativa na temperatura θ,
conforme Figura 5.13
O decréscimo do modulo de elasticidade da armadura ativa em função da
temperatura é obtido pela equação (5.9) e Figura 5.14
42
Figura 5.13 – Fator de redução da resistência no aço de armadura ativa em função da
temperatura
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
(5.9)
onde:
é o módulo de elasticidade do aço da armadura ativa em situação normal,
é o fator de redução do módulo de elasticidade do aço de armadura ativa na
temperatura θ, conforme Figura 5.14
Figura 5.14 – Fator de redução modulo de elasticidade da armadura ativa em função da
temperatura
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
43
No caso dos aços estruturais a norma que indica as propriedades térmicas é a NBR
14323 (ABNT, 1999) e a perda da resistência e do módulo de elasticidade em
função da elevação da temperatura para aços laminados e trefilados são indicados
na Tabela 5.4.
Tabela 5.4 – Fatores de redução do aço
Temperatura
do aço θa
Fator de redução para a resistência
ao escoamento dos aços
laminados
Fator de redução para a resistência
ao escoamento dos aços trefilados
Fator de redução para o módulo de elasticidade dos aços laminados
Fator de redução para o módulo de elasticidade
dos aços trefilados
(ºC) Ky,θ Kyo,θ KE,θ KEo,θ
20 1,000 1,000 1,000 1,000
100 1,000 1,000 1,000 1,000
200 1,000 1,000 0,900 0,870
300 1,000 1,000 0,800 0,720
400 1,000 0,940 0,700 0,560
500 0,780 0,670 0,600 0,400
600 0,470 0,400 0,310 0,240
700 0,230 0,120 0,130 0,080
800 0,110 0,110 0,090 0,060
900 0,060 0,080 0,068 0,050
1000 0,040 0,050 0,045 0,030
1100 0,020 0,030 0,023 0,020
1200 0,000 0,000 0,000 0,000
Nota: Para valores intermediários da temperatura do aço pode ser feita por interpolação
Fonte: NBR 14323 (ABNT, 1999)
5.3.3 Madeira
A madeira é um combustível sólido. Como tal, passa por um processo de
degradação térmica quando submetida à elevação da temperatura. Nesse processo,
diferentes resíduos são produzidos, entre eles: compostos químicos voláteis, gases,
vapor d’água, fumaça, cinzas e carvão. Combustíveis sólidos, como a madeira, são
fontes compactas de armazenamento de energia que passam por um processo de
gaseificação para alimentar as reações de combustão. Esse processo ocorre em
etapas e sua compreensão, assim como a reação e resistência ao fogo da madeira,
auxilia no estudo do desempenho da madeira em situação de incêndio para uso
estrutural, permitindo assim a tomada de decisões para seu emprego racionalizado e
seguro.
44
As propriedades da madeira são condicionadas por sua estrutura anatômica,
devendo distinguir-se os valores correspondentes à tração dos correspondentes à
compressão, bem como os valores correspondentes à direção paralela às fibras dos
correspondentes à direção normal às fibras.
Define-se o termo prático “densidade básica” da madeira como sendo a massa
específica convencional obtida pelo quociente da massa seca pelo volume saturado.
A massa seca é determinada mantendo-se os corpos de prova em estufa a 103°C
até que a massa do corpo de prova permaneça constante. O volume saturado é
determinado em corpos de prova submersos em água até atingirem peso constante.
A resistência é a aptidão de a matéria suportar tensões. A resistência é determinada
convencionalmente pela máxima tensão que pode ser aplicada a corpos de prova
isentos de defeitos do material considerado, até o aparecimento de fenômenos
particulares de comportamento além dos quais há restrição de emprego do material
em elementos estruturais. De modo geral estes fenômenos são os de ruptura ou de
deformação específica excessiva.
A rigidez dos materiais é medida pelo valor médio do módulo de elasticidade,
determinado na fase de comportamento elástico-linear.
O módulo de elasticidade na direção paralela às fibras é medido no ensaio de
compressão paralela às fibras e o módulo de elasticidade na direção normal às
fibras é medido no ensaio de compressão normal às fibras.
A combustibilidade da madeira é interpretada desfavoravelmente por projetistas do
setor construtivo e os faz declinar a outras opções na escolha do material estrutural.
No entanto, é necessário ponderar a respeito das características que lhe são
favoráveis e as que não lhe são favoráveis, visto que o principal obstáculo para o
maior aproveitamento da madeira estrutural é o desconhecimento total ou parcial
das potencialidades próprias do material, de notória variabilidade, sob as diversas
condições de uso.
45
Vários são os fatores que concorrem para o comportamento favorável da madeira
em situação de incêndio, entre eles a formação de uma camada superficial de
carvão, que atua como isolante térmico, protegendo as ca99madas internas da
exposição às elevadas temperaturas presentes na superfície da madeira. A lenta
transmissão de calor colabora para que não haja perdas das propriedades físicas e
mecânicas do elemento estrutural. Se não houver o combate ao incêndio, o lento
avanço da zona de combustão da madeira será progressivo, degradando as
camadas internas da seção e conduzindo a perda de capacidade de suportar
carregamento do elemento estrutural, caso sua seção transversal residual efetiva
passe a ser insuficiente para suportar o carregamento ao qual é solicitado (PINTO,
2005).
Não há norma brasileira específica para a madeira em situação de incêndio, sendo a
norma que indica as propriedades térmicas da mesma a NBR 7190 (ABNT, 1997),
apresentadas as principais a seguir:
Condutividade térmica conforme Figura 5.15
Figura 5.15 – Condutividade térmica da madeira e camada carbonizada
Fonte: NBR 7190 (ABNT, 1997)
Calor específico conforme Figura 5.16
46
Figura 5.16 – Calor específico da madeira e camada carbonizada
Fonte: NBR 7190 (ABNT, 1997)
Densidade conforme Figura 5.17
Figura 5.17 – Densidade para U inicial 12% carbonizada
Fonte: NBR 7190 (ABNT, 1997)
Dilatação térmica
Quanto maior a temperatura maior será a oscilação atômica e o conseqüente
distanciamento dos átomos entre si. No que se refere ao dimensionamento
estrutural, o coeficiente de dilatação térmica da madeira é desprezível, em parte
devido aos seus valores e em parte devido ao efeito compensatório de retração da
47
madeira pela perda de umidade durante a elevação de temperatura (MELO, 2002).
O coeficiente de dilatação térmica à temperatura ambiente pode ser visto na Tabela
5.5
Tabela 5.5 – Coeficiente de dilatação térmica da madeira a temperatura ambiente
Direção ( -1)
Radial 15 a 30 x 10-6
Tangencial 25 a 50 x 10-6
Longitudinal 3 a 5 x 10-6
Fonte: Melo (2002)
5.4 Métodos de Dimensionamento do TRRF
Na fase de dimensionamento dos componentes estruturais contra a ação de um
incêndio, deve-se prever qual o campo de temperatura que carga solicitante está
trabalhando. A norma NBR 15200 (ABNT, 2004) considera os seguintes métodos
para determinação do TRRF: O método tabular e o método do tempo equivalente.
5.4.1 Método tabular
Neste método, o TRRF é determinado em função do uso da edificação, da altura da
edificação (que deve ser entendida como a altura do ponto de saída para a rua até o
piso do último pavimento) e as tabelas do corpo de bombeiros IT-08 (CBMESP,
2004) e NBR 14432 (ABNT, 2000).
Conforme a IT-08 (CBMESP, 2004), as classificações das classes de incêndio e seu
tempo de resistência ao fogo são descritos na Tabela 5.6. Foi levada em conta a
curva do modelo de incêndio padrão NBR 15200 (ABNT, 2004).
Com a combinação dos dois elementos acima descritos e a Tabela 5.6, obtém-se a
classe do incêndio e o seu respectivo TRRF.
48
Conforme Silva (2008) a NBR 15200 (ABNT, 2004) não leva em conta os efeitos do
Spalling e deformação térmica, podendo haver uma alteração significativa e
acelerada da resistência da peça devido à exposição da armadura.
Tabela 5.6 – TRRF – Decreto Estadual 46.076 de 31 de agosto de 2001.
Profundidade do Subsolo hs Altura da edificação h
Grupo
Ocupação/Uso Divisão
Classe S2
Classe S1
Classe P1
Classe P2 Classe P3 Classe P4 Classe P5
hs >10m
hs ≤ 10m h ≤ 6m
6m < h ≤ 12m
12m < h ≤ 23m
23m < h ≤ 30m
30m < h ≤ 80m
h > 80m
A
Residencial
A-1 a A-3
90 60 30 30 60 90 120 CT
B
Serviços de hospedagem
B-1 e B-2
90 60 30 60 60 90 120 CT
C
Comercial varejista
C-1 90 60 60 60 60 90 120 CT
C-2 e C-3
90 60 60 60 60 90 120 CT
D
Serviços profissionais, pessoais e técnicos
D-1 a D-3
90 60 60 60 60 90 120 CT
E
Educacional e educação física
E-1 a E-6
90 60 30 30 60 90 120 CT
F
Locais de reunião de
público
F-1, F-2, F-5, F-6,F-8 e F-10
90 60 30 60 60 90 120 CT
F-3, F-4 e F-7
90 60 ver item A2.3.4 30 60 CT CT
F-9 CT
G
Serviços automotivo
s
G-1 e G-2 não abertos lateralmente e G-3 a G-5
90 60 30 60 60 90 120 CT
G-1 e G-2 abertos lateralmente
90 60 30 30 30 30 60 120
H
Serviços de saúde e instituciona
is
H-1 e H-4
90 60 30 60 60 90 120 CT
H-2, H-3 e H5
90 60 30 60 60 90 120 CT
49
Profundidade do Subsolo hs Altura da edificação h
Grupo
Ocupação/Uso Divisão
Classe S2
Classe S1
Classe P1
Classe P2 Classe P3 Classe P4 Classe P5
hs >10m
hs ≤ 10m h ≤ 6m
6m < h ≤ 12m
12m < h ≤ 23m
23m < h ≤ 30m
30m < h ≤ 80m
h > 80m
I
Industrial
I-1 90 60 30 30 60 60 120 CT
I-2 120 90 30 30 60 90 120 CT
I-3 120 90 60 60 90 120 120 CT
J
Depósitos
J-1 60 30 ver item A2.3.5 30 30 60 CT
J-2 90 63 30 30 30 30 60 CT
J-3 90 63 30 60 60 120 120 CT
J-4 120 90 60 60 90 120 120 CT
L
Explosivos
L-1, L-2 e L-3
120 120 120 CT CT
M-1 150 150 150 CT
M Especiais
M-2 CT
M-3 120 90 90 90 120 CT
NOTAS: 1. CT - Utilizar comissão Técnica junto ao corpo de Bombeiros da Polícia Militar do Estado de São Paulo
2. O TRRF dos subsolos não pode ser inferior ao TRRF dos pavimentos situados acima do solo
Fonte: IT-08 (CBMESP, 2004)
5.4.2 Método do tempo equivalente
O método do tempo equivalente NBR 14432 (ABNT, 2000) foi criado para
correlacionar os resultados obtidos nos ensaios de laboratório executados em fornos
aquecidos com uma situação real de incêndio. Este procedimento relaciona a
máxima temperatura do aço em situação real com a curva do incêndio-padrão.
Na IT-08 (CBMESP, 2004) descreve o detalhamento para o cálculo do tempo de
resistência ao fogo, conforme abaixo na equação (5.10)
(5.10)
onde:
é tempo equivalente (minutos);
é carga de incêndio (MJ/m²);
= coeficiente adimensional que leva em conta a presença de medidas
de proteção ativa da edificação, determinado conforme Tabela 5.9;
50
coeficiente de segurança que depende do risco de incêndio e das
conseqüências do colapso da edificação, determinado conforme Tabela 5.10 e
Tabela 5.11;
fator determinado conforme Tabela 5.12;
fator associado à ventilação do ambiente;
fator de correção que depende do material da estrutura, determinado conforme
Tabela 5.13.
A seguir são definidos os elementos necessários para o cálculo do método
equivalente.
5.4.2.1 Carga de incêndio
Conforme a NBR 14432 (ABNT, 2000) foi criada a tabela no anexo A que relaciona o
tipo de uso e ocupação com as cargas de incêndio em MJ/m². Quando a ocupação
se destina a depósitos são utilizados os procedimentos com a equação (5.11)
∑
(5.11)
onde:
é o valor da carga de incêndio específica (MJ/m²);
é a massa total de cada componente i do material combustível (Kg). Este valor
não pode ser excedido durante a vida útil da edificação, exceto quando houver
alteração de ocupação, ocasião em que o deve ser reavaliado;
é o potencial calorífico específico de cada componente i do material combustível
(MJ/ kg) ver Tabela 5.8;
é a área do compartimento (m²).
Para a avaliação do acondicionamento dos materiais deve-se utilizar a Tabela 5.7.
Os levantamentos das cargas de incêndio devem ser realizados em módulos de
500m² ou em módulos compartimentados menores que 500m². Quando há módulos
maiores, deve-se levar em conta se existem materiais combustíveis com potenciais
caloríficos específicos semelhantes e se podem ser considerados uniformemente
distribuídos.
51
Tabela 5.7 – Acondicionamento
Acondicionamento
(MJ/m³)
Armações de madeira com caixotes de madeira 400
Armações de madeira com prateleiras de madeira 100
Armações metálicas 20
Armações metálicas com prateleiras de madeira 80
Caixotes de madeira ou de plástico 200
Pallets de madeira 400
Fonte: NBR 14432 (ABNT, 2000)
Tabela 5.8 – Valores de potencial calorífico específico
Tipo de material H (MJ/kg)
Acrilico 28
Algodão 18
Borracha Espuma - 37 / tiras - 32
Couro 19
Epóxi 34
Grãos 17
Graxa, lubrificante 41
Lã 23
Lixo de cozinha 18
Madeira 19
Palha 16
Papel 17
Petróleo 41
Policarbonato 289
Poliéster 31
Polietileno 44
Polipropileno 43
Poliuretano P 23
PVC 17
Resina melamínica 18
Seda 19
Fonte: NBR 14432 (ABNT, 2000)
5.4.2.2 Coeficientes adimensionais
Os coeficientes adimensionais são definidos pela NBR 14432 (ABNT, 2000) e a IT-
08 (CBMESP, 2004). São conhecidos como fatores de segurança contra incêndio.
52
Tabela 5.9 – Fatores de medida de segurança contra incêndio
Valores de
Existência de chuveiros automáticos ( Brigada contra incêndio
Existência de detecção automática
0,6 Não Profissional Profissional
0,9 0,9 0,6
Na ausência de algum meio de proteção, indicado na Tabela 5.9, deve ser adotado o respectivo
Fonte: IT-08 (CBMESP, 2004)
5.4.2.3 Coeficientes de segurança
É definido pela compartimentação e a altura da edificação em função do risco de
ativação conforme IT-08 (CBMESP, 2004).
Tabela 5.10 – Características da edificação
Área do compartimento Altura da edificação
(m²) Térrea h ≤ 6m 6m < h ≤ 12m 12m < h ≤ 23m 23m < h ≤ 30m 30m < h ≤ 80m h > 80m
≤ 750 1,00 1,00 1,10 1,20 1,25 1,45 1,60
≤ 1000 1,05 1,10 1,15 1,25 1,36 1,65 1,85
≤ 2500 1,10 1,25 1,40 1,70 1,85 2,60 3,00
≤ 5000 1,15 1,45 1,75 2,35 2,65 3,00 3,00
≤ 7500 1,25 1,70 2,15 3,00 3,00 3,00 3,00
≤ 10000 1,30 1,90 2,50 3,00 3,00 3,00 3,00
≤ 20000 1,60 2,80 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00
≥ 65000 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00
Fonte: IT-08 (CBMESP, 2004)
Tabela 5.11 – Risco de ativação
Valores de
Risco de ativação do
incêndio Exemplos de ocupação
0,85 Pequena Escola, galeria de arte, parque aquático, igreja, museu
1 Normal
Biblioteca, cinema, correio, consultório médico, escritório, farmácia, frigorífico, hotel, livraria, hospital, laboratório fotográfico, indústria de papel, oficina elétrica ou mecânica, residência, restaurante, teatro, depósitos de: produtos farmacêuticos, bebidas alcoólicas, venda de acessórios de automóveis, depósitos em geral
1,2 Média Montagem de automóveis, hangar, indústria mecânica
1,5 Alta Laboratório químico, oficina de pintura de automóveis
Nota: as ocupações não relacionadas poderão ser enquadradas por similaridade.
Fonte: IT-08 (CBMESP, 2004)
53
5.4.2.4 Fator “K”
É descrito na IT-08 (CBMESP, 2004) na Tabela 5.12
Tabela 5.12 – Fator K
√
(J/m² s1/2 ºC)
K (min.m²/MJ)
√ >2500 0,04
720≤√ ≤ 2500 0,055
√ < 720 0,07
Fonte: IT-08 (CBMESP, 2004)
onde:
massa específica do elemento de vedação do compartimento (kg/m³)
calor específico do elemento de vedação do compartimento (MJ/kgºC)
condutividade térmica do elemento de vedação (W/mºC)
Notas:
1) Quando houver elementos de compartimentação com diferentes camadas de material, pode ser utilizado o menor
valor de √ , a favor da segurança.
2) Quando houver diferentes valores de em paredes, pisos e tetos, este valor é determinado conforme equação (5.12). (IT-08 CBMESP, 2004, p. 213)
∑
(5.12)
onde:
é o fator do elemento de compartimentação i;
é a área do elemento de compartimentação i (m²);
é a área total do compartimento (piso, teto e paredes) (m²)
é a área de ventilação vertical (janelas, portas e similares) (m²)
5.4.2.5 Fator relacionado à ventilação do ambiente
Em uma estrutura sujeita ao incêndio, a ventilação é um fator preponderante para o
dimensionamento do TRRF indicado na IT-08 (CBMESP, 2004) conforme eq. (5.13):
54
[
] (5.13)
onde:
é altura do compartimento (m);
área de ventilação vertical (janelas, portas e similares) (m²)
área do piso (m²)
área de ventilação horizontal - piso (m²)
5.4.2.6 Fator de correção estrutural
Para cada tipo de estrutura é aplicado um coeficiente de correção estrutural, o qual
serve para determinar uma condição satisfatória: aço revestido termicamente ou
concreto armado (com um coeficiente = 1) e uma condição não satisfatória para o
aço sem revestimento (com um coeficiente abaixo de 1). Sendo assim com a sua
utilização na fórmula do tempo equivalente, é reduzido o tempo de resistência ao
fogo.
Tabela 5.13 – Valores do Fator E
Material da Estrutura Fator E
Concreto armado 1
Aço revestido termicamente 1
Aço sem revestimento termico 13,7V
Nota: no caso de estruturas mistas de aço e concreto, utilizar, onde aplicável, o valor mais desfavorável de E.
Fonte: IT-08 (CBMESP, 2004)
onde:
V é o grau de ventilação do compartimento calculado, no qual é obtido pela equação
(5.14)
√
(5.14)
onde:
área total de aberturas verticais (m²)
55
altura média das janelas, (m)
área total do compartimento (paredes, teto e piso, incluindo aberturas) (m²)
Nota: limites de aplicação: 0,02 m1/2 < V < 0,2 m1/2
5.4.3 Calculo do índice de massividade
De acordo com a NBR 14323 (ABNT, 1999) define o fator de massividade como a
relação entre o perímetro da peça sobre a área exposta ao fogo. Este critério é
utilizado como procedimento inicial de cálculo analítico simplificado sem proteção
térmica.
Para cada formato e diferença de perímetro exposto existe um fator de massividade
a seguir indicado na Figura 5.18.
5.5 Materiais utilizados para proteções contra incêndio
Para evitar e/ou retardar a perda de resistência das estruturas, devido a redução das
propriedades mecânicas do aço e concreto, utiliza-se materiais para envolver as
peças estruturais, criando uma proteção conhecida como “proteção passiva”.
Conforme Vargas (2003) esses materiais devem possuir as seguintes propriedades:
baixa massa específica, baixa condutividade térmica, alto calor específico, adequada
resistência mecânica, garantia a integridade durante a evolução do incêndio e custo
compatível.
5.5.1 Classificação dos materiais
Conforme Regobello (2007) e Fakuri (1999) os matérias de proteção podem ser
divididos em:
- Quanto ao material constituinte;
- Quanto a morfologia (formato de aplicação);
- Quanto a técnica de colocação.
56
Figura 5.18 – Fator de massividade para alguns elementos estruturais
Fonte: NBR 14323 (ABNT, 1999)
57
Os principais materiais segundo apud Regobello (2003) são descritos na Tabela
5.14.
Tabela 5.14 – Classificação dos materiais
Material Massa
específica (Kg/m³)
Teor de umidade %
Condutividade térmica (W/mºC)
Calor específico (J/KgºC)
Fibra mineral 300 1 0,12 1200
Argamassa de vermiculita 350 15 0,12 1200
Perlita 350 15 0,13 1200
Materiais projetados de alta densidade
Vermiculita (ou perlita) e cimento
550 15 0,12 1100
Vermiculita (ou perlita) e gesso
650 15 0,12 1100
Placas
Vermiculita (ou perlita) e cimento
800 15 0,2 1200
Silicato fibroso ou silicato de cálcio fibroso
600 3 0,15 1200
Fibrocimento 800 5 0,15 1200
Placas de gesso 600 20 0,2 1700
Placas de fibra compactada
Silicato fibroso, lã mineral e lã rocha
150 2 0,2 1200
Concreto 2300 4 1,6 1000
Concreto leve 1600 5 0,8 840
Blocos de concreto 2200 8 1 1200
Tijolo cerâmico vazado 1000 0,4 1200
Tijolo cerâmico maciço 200 1,2 1200
Fonte: Regobello (2007)
De acordo com Silva (2008), no Brasil são mais utilizados os materiais projetados,
materiais rígidos ou semi-rígidos e as tintas intumescentes.
5.5.2 Materiais Projetados
São materiais, fibras e argamassas, com base cimentícia, vermiculita ou gesso e são
aplicados pelo processo de jateamento. Conforme Silva (2008), os materiais podem
fornecer resistência ao fogo até 240 minutos.
58
O processo de jateamento consiste em transportar uma massa fluída misturada com
água por meio de uma mangueira ou esguicho.
Conforme Vargas (2003) o material projetado deve trabalhar monoliticamente com a
estrutura, formando uma camada homogênea em todas as peças estruturais
aplicadas.
Os materiais aplicados devem possuir durabilidade igual ao da estrutura, devem ser
higroscópicos, ter índice zero de combustibilidade e propagação de chamas e não
possuírem espaços vazios.
Um ensaio muito utilizado é o da erosão sobre correntes de ar com velocidade de
teste de 24 km/h.
5.5.3 Placas rígidas
Os materiais rígidos são aplicados seguindo o formato das peças e a seco. O
isolamento térmico se desenvolve por meio do envolvimento da estrutura. Tem
acabamento melhor do que a argamassa projetada. Estes são constituídos por lã de
rocha basáltica, placas de gesso, painéis de silicato autoclavado, vermiculita e as
fibras cerâmicas (SILVA, 2008).
5.5.4 Tintas intumescentes
De acordo com Vargas (2003), as tintas intumescentes são constituídas por
materiais que, após o contato com o fogo, aumentam de volume e,
conseqüentemente cria um aumento do índice de massividade, aumentando a
capacidade de proteção.
Conforme Silva (2008), a primeira patente do produto foi criada em 1938. A origem
etimológica é do latim “tumescere” que quer dizer expandir ou iniciar.
A sua aplicação é feita geralmente em estruturas metálicas e é composta por três
camadas básicas: primer, tinta (na qual reage) e selante.
59
A tinta propriamente dita é composta por um agente catalisador, um aglutinante, um
agente carbonizante e um agente espumifico.
5.5.5 Materiais incorporados no concreto
Outra forma de reduzir os efeitos de colapso da estrutura proveniente da carga de
incêndio é a introdução de materiais na composição do concreto.
São adicionadas fibras de polipropileno ou aço na mistura do concreto. Com esta
inclusão é reduzido os efeitos de colapso devido à temperatura. Conforme
Breunese (2010) a introdução de 3 kg/m³ de polipropileno em relação a massa de
concreto reduz os efeitos de tração e conseqüentemente o aparecimento de fissuras
de tração nas estruturas onde o incêndio segue o padrão da curva RWS. Com isso
evita o aparecimento do “Spalling” explosivo.
5.6 Dimensionamento das cargas de estruturas
Normalmente os edifícios são projetados à condição de temperatura ambiente.
Contudo em edificações grandes e altas, contendo maior carga de incêndio, número
grande de pessoas, necessidades especiais de prevenção e proteção contra
incêndio entre outras devem ser verificadas sob combinações excepcionais de
ações, no estado limite último.
Convém lembrar que só se deve reutilizar uma estrutura submetida a incêndio se for
vistoriada e garantida que apresente as mesmas características antes do incêndio
no estado limite ultimo e estado limite de serviço NBR 15200 (ABNT, 2004).
Após a determinação da temperatura por meio de cálculos numéricos (curva de
incêndio padrão) e dimensionamento TRRF ou por meio de modelagem
computacionais o esforço resistente de cálculo em situação de incêndio é obtido.
60
A NBR 14323 (ABNT, 1999) ressalta que este esforço determinado em situação de
incêndio não pode ser tomado com valor superior ao resistente de cálculo a
temperatura ambiente.
5.6.1 Ações, segurança e resistência de cálculo NBR 14323 (ABNT, 1999)
A combinação última das ações na NBR 14323 (ABNT, 1999), adotou os seguintes
critérios em função do uso da construção.
Locais com predominância de pesos de equipamentos que ficam fixos por
grandes períodos de tempo ou grande quantidade de pessoas (equação
5.15);
∑ (5.15)
Em bibliotecas, arquivos, depósitos, oficinas e garagens (equação 5.16);
∑ (5.16)
Em locais onde não há pesos de equipamentos e nem altas concentrações de
pessoas (equação 5.17);
∑ (5.17)
onde:
é o valor característico das ações permanentes diretas;
é o valor característico das ações térmicas decorrentes do incêndio;
é o valor característico das ações variáveis decorrentes do uso e ocupação da
edificação;
é o valor do coeficiente de ponderação para as ações permanentes diretas, igual
a 1,0 para ações permanentes favoráveis e indicado em tabelas específicas para
ações permanentes desfavoráveis.
61
O esforço solicitante de cálculo obtido pelas equações (5.15 a 5.17) é o fator que
será verificado para condição de segurança de uma estrutura em situação de
incêndio expressada simplificadamente pela expressão (5.18).
(5.18)
Onde:
valor de cálculo dos esforços atuantes, determinado a partir da combinação
última excepcional de ações;
valor do esforço resistente com o efeito da ação térmica e o coeficiente de
redução Ky,θ conforme Tabela 5.4.
5.6.1.1 Método simplificado
Neste método é apresentado o método simplificado de dimensionamento das barras
prismáticas constituídas por perfis laminados e soldados não híbridos, às vigas
mistas aço concreto e pilares mistos aço-concreto nos quais o perfil de aço utilizado
é laminado ou soldado não híbrido, e às lajes mistas aço-concreto (também
chamadas de lajes de concreto com fôrma de aço incorporada) pela NBR 14323
(ABNT, 1999).
Para se determinar as solicitações de cálculo, o efeito do gradiente térmico ao longo
das barras é obtido pela diferença entre temperaturas da mesa inferior e superior, no
caso de vigas sem proteção térmica ou proteções tipo contorno, ou com proteção
tipo caixa na qual a temperatura é considerada uniforme. A norma NBR 14323
(ABNT, 1999) prescreve a seguinte tabela comparando a espessura em função do
TRRF, determinando um gradiente térmico específico.
Os esforços resistentes são divididos em três situações: barras tracionadas, barras
comprimidas e barras fletidas.
62
Tabela 5.15 - Gradiente térmico ∆Ө ( º C)
tf (mm) TRRF ∆Ө máx
( º C)
t máx
15 30 60 90 120 (min)
9,5 140 77 3 3 2 163 11
12,5 166 69 9 4 2 171 13
16,0 178 78 19 5 3 178 15
19,0 179 100 37 6 4 181 18
22,5 178 100 37 6 4 183 17
25,0 168 159 94 12 6 190 21
Fonte: Silva (2001)
Para o caso de barras tracionadas, segundo Silva (2001), o cálculo do esforço
normal resistente de tração de uma barra de distribuição uniforme de temperatura ao
longo do comprimento para estado limite último é igual a equação (5.19):
(5.19)
onde:
área bruta da seção transversal (m²);
coeficiente redutor da resistência do material em decorrência da ação térmica;
valor característico da resistência de escoamento dos aços;
= 1.
Para os casos de barras comprimidas axialmente, no caso dos elementos que
compõem as estruturas na seção transversal sigam os limites da NBR 8800 (ABNT,
2004), o valor de cálculo da força axial resistente a compressão, com distribuição
uniforme de temperatura ao longo de seu comprimento, para o estado limite último
de flambagem por flexão, é dado pelas expressões (5.20 e 5.21):
(5.20)
(5.21)
63
sendo:
fator de redução da resistência em situação de incêndio;
área bruta da seção transversal (m²);
coeficiente redutor da resistência do material em decorrência da ação térmica;
valor característico da resistência de escoamento dos aços;
= 1.
Nas barras fletidas os elementos componentes da seção transversal, no regime
plástico, não podem sofrer flambagem local (SILVA, 2001).
A flambagem local leva em consideração o índice de esbeltez determinado na NBR
8800 (ABNT, 2004) para temperatura ambiente, sendo para o estado limite último
dividida em flambagem lateral (FLT), de flambagem local da mesa comprimida (FLM)
e flambagem local da Alma (FLA).
Para estado limite último de FLT o momento é dado pela expressão (5.22a/b/c):
(5.22a)
[ ( )
] (5.22b)
(5.22c)
Sendo;
valor característico do momento de plastificação da seção transversal;
valor característico do momento fletor resistente ao correspondente no início do
escoamento da seção transversal;
momento crítico à flambagem lateral, no regime plástico;
módulo resistente plástico;
64
fator de correção, para distribuição não uniforme de temperatura ao longo do
comprimento da barra fletida;
fator de correção, para distribuição não uniforme de temperatura ao longo do
comprimento da barra fletida;
Para o estado limite último nas situações (FLM) e (FLA) quando o é
conforme a equação (5.22a) e para o a equação (5.23) é utilizada.
[ ( )
]
(5.23)
5.6.1.2 Temperatura crítica
A temperatura crítica do aço é determinada em função da dilatação térmica do aço
. A obtenção desta temperatura é dada pela expressão (5.24) deve ser
comparada com a temperatura máxima de projeto a fim de verificar eventuais
necessidades de proteções na estrutura calculada.
[
] (5.24)
5.6.2 Segundo a NBR 15200 (ABNT, 2004)
Na NBR 15200 (ABNT, 2004) considera que os esforços gerados no aquecimento
podem ser desprezados, embora a rigidez da peça diminuir, e há uma adaptação da
estrutura no estado plástico.
A verificação utilizada em norma é dada pela expressão (5.25):
( ∑ ) [ ] (5.25)
onde:
valor de cálculo do esforço solicitante em situação de incêndio;
65
valor de cálculo do esforço resistente em situação de incêndio;
coeficientes de ponderação e de combinação na presença de incêndio;
valores característicos das ações permanentes e variáveis;
valores característicos reduzidos da resistência do concreto e
do aço a uma temperatura .
Para a verificação da fórmula acima, são usados métodos simplificados, tabulares ou
gerais.
No método tabular são dadas as dimensões mínimas apresentadas em função do
tempo estrutural e do TRRF. As tabelas (Tabela 5.16 a Tabela 5.19) apresentam as
dimensões mínimas para diversos elementos estruturais.
Tabela 5.16 – Dimensões mínimas para lajes apoiadas em vigas
TRRF h c1 (mm)
(min) mm Armada em duas direções Armada numa
ly/lx 1,5 1,5<ly/lx 2 direção
30 60 10 10 10
60 80 10 15 20
90 100 15 20 30
120 120 20 25 40
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
Tabela 5.17 - Dimensões mínimas para lajes lisas ou cogumelo
TRRF h c1 (mm)
(min) mm
30 150 10
60 180 15
90 200 25
120 200 35
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
Tabela 5.18 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas biapoiadas
TRRF Nervuras Combinações de b (min)/c1 Capa
(min) mm/mm h/c1
1 2 3 mm/mm
30 80/15 80/10
60 100/35 120/25 190/55 80/10
90 120/45 160/40 250/30 100/15
120 160/60 190/55 300/40 120/20
66
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
Tabela 5.19 - Dimensões mínimas para vigas biapoiadas
TRRF Nervuras Combinações de b (min)/c1
(min) mm/mm bw min
1 2 3 4 mm/mm
30 80/25 120/20 160/15 190/15 80
60 100/40 160/35 190/30 300/25 100
90 140/55 190/45 300/40 400/35 100
120 190/65 240/60 300/55 500/50 120
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2004)
Conforme a norma simplificada é permitida que as solicitações de incêndio seja
igual a 70% das situações de cálculo em situação normal conforme equação (5.26):
(5.26)
5.6.3 Segundo a EUROCODE
A NBR 15200 (ABNT, 2004) teve seus fundamentos na EN1992-1-2 (EUROCODE,
2004) que fornece as dimensões mínimas dos elementos estruturais.
A EN1992-1-2 (EUROCODE, 2004) recomenda, dependendo do elemento estrutural,
valores mínimos de dimensões da seção transversal e da distância entre o centro
geométrico da barra longitudinal e da superfície externa do concreto. A seguir
contempla algumas recomendações (Tabela 5.20):
Tabela 5.20 - Dimensões mínimas para vigas contínuas de concreto armado, em situação de
incêndio
TRRF (min)
Situação 1 Situação 2 Situação 3 Situação 4 Espessura mínima (mm) b (mm) a (mm) b (mm) a (mm)
b (mm)
a (mm)
b (mm) a
(mm)
30 80 25 120 15 160 10 200 10 80
60 120 40 160 35 200 30 300 24 100
90 150 55 200 45 250 40 400 35 100
120 220 65 240 55 300 50 500 45 120
Fonte: EN1992-1-2 (EUROCODE, 2004)
sendo:
67
a - é a mínima distância do centro geométrico da armadura longitudinal e da face
externa do elemento de concreto.
b - é a mínima largura associada a mínima distância “a”.
5.7 Avaliações de utilização em projetos
Os requisitos funcionais a serem atendidos por um edifício seguro estão ligados à
seqüência de etapas de um incêndio, as quais se desenvolvem no seguinte fluxo:
início do incêndio, crescimento do incêndio no local de origem, combate, propagação
para outros ambientes, evacuação do edifício, propagação para outros edifícios e
ruína parcial e/ou total do edifício.
Estabelecida a seqüência de etapas de um incêndio, pode-se considerar que os
requisitos funcionais atendidos pelos edifícios consistem em:
a) dificultar a ocorrência do princípio de incêndio.
b) ocorrido o princípio de incêndio, dificultar a ocorrência da inflamação generalizada
do ambiente.
c) possibilitar a extinção do incêndio no ambiente de origem, antes que a inflamação
generalizada ocorra.
d) instalada a inflamação generalizada no ambiente de origem do incêndio, dificultar
a propagação para outros ambientes.
e) permitir a fuga dos usuários do edifício.
f) dificultar a propagação do incêndio para edifícios adjacentes.
g) manter o edifício íntegro, sem danos, sem ruína parcial e/ou total.
h) permitir operações de natureza de combate ao fogo e de resgate/salvamento de
vítimas.
Em todas as fases que envolvem o processo produtivo, assim como o uso do
edifício, a segurança contra incêndio deve ser considerada, passando pelo estudo
preliminar, pela concepção do anteprojeto, pelo projeto executivo e pela construção,
operação e manutenção. Se a segurança contra incêndio for desconsiderada em
qualquer uma das etapas, o edifício ficará suscetível a riscos de inconveniências
funcionais, gastos excessivos e níveis de segurança inadequados. Grande parte da
68
segurança contra incêndio dos edifícios é resolvida na fase de projeto. Muitas
diretrizes também são, nessa fase, encaminhadas para a solução geral do problema.
Tudo o que foi previsto em projeto deve ser considerado na fase de construção do
edifício, garantindo assim tanto a confiabilidade como a efetividade anteriormente
previstas. Deve-se, ainda, ressaltar que parte considerável dos problemas com
relação à proteção contra incêndio ocorre durante a fase de operação do edifício e
depende da caracterização do tipo de ocupação, de usuário e das regulamentações
compulsórias existentes.
Outro fato importante a destacar é sobre a abordagem das normas que segundo
Caldas (2008) é pouco abordada à interação entre os elementos estruturais e, em
geral, apenas são apresentadas as diretrizes que devem ser seguidas para
realização de análises numéricas em elementos individuais que formam as
estruturas tendo um enfoque no estado limite último destes elementos. Contudo o
comportamento das estruturas mistas, por exemplo, não são tratadas pelas normas.
Todavia existem modelos computacionais avançados que podem solucionar
problemas de análise como um todo do comportamento da estrutura em situação de
incêndio. Os programas de computador desenvolvidos, atualmente, podem ser
divididos em dois grupos: (1) programas desenvolvidos exclusivamente para análise
de estruturas em situação de incêndio e (2) programas comerciais adaptados para
análise em situação de incêndio.
5.7.1 Programas específicos para análise de estruturas em incêndio
O programa SMARTFIRE desenvolvido na Universidade de Greenwich é específico
para utilizar a modelagem CFD. A Figura 5.19 apresenta a análise de um
compartimento incendiado demonstrado no trabalho de Caldas (2008) obtendo a
relação temperatura-tempo dos gases em um compartimento para posterior análise
da estrutura, demonstrando a possibilidade de economia com a utilização de
métodos avançados de cálculo.
69
Figura 5.19 – Modelagem com o programa SMARTFIRE
Fonte: Caldas (2008)
VULCAN é um programa de análise estrutural de terceira dimensão foi desenvolvido
principalmente para modelar o comportamento do incêndio em estruturas de aço e
estruturas compostas, incluindo as lajes de piso, em condições de incêndio,
desenvolvido pela Universidade de Sheffield. Distribuições de temperatura entre os
membros podem ser não-uniforme, causando expansão térmica diferencial e um
espalhamento nas propriedades elásticas e inelásticas em toda a seção (Figura
5.20), e uma série de seções transversais podem ser definidas, permitindo diferentes
formas e materiais a serem representados.
Figura 5.20 - Recurso de animação do Vulcan onde se pode ver em um lapso de tempo a
animação da estrutural durante o período de análise
Fonte: Site Vulcan (Acessado em maio 2010)
O programa OZONE foi desenvolvido pela Universidade de Liège – Bélgica em
parceria com a Arcelor Profil Luxembourge Research Centre. São inseridas as
dimensões dos compartimentos, as cargas de incêndio, os perfis utilizados, áreas de
70
ventilação e exaustão conforme Figura 5.21. Com os dados inseridos é possível
calcular o tempo requerido de resistência ao fogo.
Outro programa específico é o SAFIR que pelo método elementos finitos faz análise
não-linear geométrica e análise do material, especialmente desenvolvido para o
estudo de estruturas sujeitas à ação do fogo, desenvolvido na Universidade de Liège
– Bélgica.
Figura 5.21 – Modelagem com o programa OZONE
Fonte: Site Difisek (Acessado em setembro 2010)
Modelagens numéricas são importantes para prever o comportamento de estruturas
em situação de incêndio, conforme Figura 5.22. O desenvolvimento de métodos
numéricos, dos computadores e o conhecimento das propriedades do concreto, aço
e madeira em temperatura elevada permitem o desenvolvimento de programas
genéricos ou especializados, capazes de realizar análises estruturais em situação de
incêndio.
Todavia, estes programas sofisticados não estão sempre à disposição de
engenheiros e tendem a ser mais utilizados em pesquisas. Métodos simplificados,
por outro lado, são apresentados em normas de projeto (CALDAS, 2008).
71
Figura 5.22 - Tela de análise do SAFIR
Fonte: Site SAFIR (Acessado em maio 2010)
5.7.2 Programas convencionais adaptados para incêndio
Os programas convencionais estão incrementando recursos para inserir a situação
da estrutura em incêndio tornando-se uma alternativa aos problemas deparados nos
programas específicos.
No programa CAD/TQS há um módulo de verificação em incêndio, onde há diversos
processos presentes nas normas de incêndio que se é possível verificar. Dentre
eles, o Método Tabular, representada pelo TRRF conforme Figura 5.23.
Os dados adotados e resultados obtidos durante a verificação da estrutura em
situação de incêndio são apresentados num relatório completo, conforme Figura
5.24
Figura 5.23 – Representação TRRF no CAD/TQS
Fonte: Site CAD/TQS (Acessado em maio 2010)
72
Figura 5.24 – Resultados obtidos durante a verificação da estrutura em situação de incêndio
ACAD/TQS
Fonte: Site ACAD/TQS (Acessado em maio de 2010)
Além do relatório, os dados e resultados da verificação da estrutura em situação de
incêndio também podem ser facilmente avaliados e otimizados por meio de um
visualizador gráfico especialmente desenvolvido para este fim, conforme Figura 5.25
Os elementos que não passaram na verificação são coloridos na cor vermelha. É
possível selecioná-los (pilar, viga ou laje), clicando-se com o mouse diretamente
sobre a janela gráfica, ou nas tabelas ao lado.
Em cada uma destas tabelas, são apresentados todos os dados e resultados
pertinentes na verificação de cada elemento.
73
A grande maioria dos dados pode ser livremente editada pelo Engenheiro. A
qualquer alteração, o programa automaticamente reverificará o elemento editado
instantaneamente, conforme Figura 5.26.
Figura 5.25 – Modelo de análise da estrutura em situação de incêndio ACAD/TQS
Fonte: Site ACAD/TQS (Acessado em maio de 2010)
Figura 5.26 – Detalhes análise da estrutura em situação de incêndio ACAD/TQS
Fonte: Site ACAD/TQS (Acessado em maio de 2010)
74
O FTOOL é um programa destinado ao meio acadêmico que também possui módulo
no qual se pode analisar o comportamento estrutural de um sistema indicando a
temperatura a ser atendida. É desenvolvido pela Universidade Pontificia Catolica do
Rio de Janeiro (PUCRJ).
É possível construir uma infinidade de modelos estruturais planos que demonstram
alguns parâmetros gráficos como diagrama de momentos fletores cortantes e
esforços normais que será objeto de estudo, conforme Figura 5.27. É limitado a uma
análise estrutural bidimensional
Figura 5.27 – Entrada de dados da temperatura FTOOL
Fonte: Programa FTOOL
No Brasil há vários estudos sendo desenvolvidos nesta disciplina. Caldas (2008)
comenta sobre alguns desenvolvidos pela Universidade de São Paulo que realiza
modelos numéricos para simulação de vigas mistas formadas por perfis de aço
formado a frio utilizando o ANSYS.
Modelo desenvolvido por Souza Jr. (apud CALDAS, 2008) pela Universidade Federal
do Rio Grande do Sul que programou um modelo de elementos de viga 3D onde a
não-linearidade física.
75
A UFMG desenvolve os programas CALTEMI e THERSYS, sendo que o CALTEMI
avalia o comportamento estrutural quando da distribuição de temperatura ao longo
das estruturas via MEF. O THERSYS é capaz de analisar problemas tridimensionais
de transferência de calor por condução em domínios sólidos.
76
6 ESTUDO DE CASO
No presente estudo de caso será apresentada uma avaliação de segurança
estrutural seguindo as normas, por meio de métodos simplificados.
Os programas computacionais específicos apresentados no capítulo 5, embora com
melhor eficiência nos resultados, não têm custos acessíveis. Por isso, utilizou-se o
software educacional FTOOL para elaboração de modelos numéricos que constam
no estudo de caso. Como as análises pelo método dos elementos finitos são
importantes e encontradas na maioria da literatura pesquisada, alguns modelos
desta literatura são apresentados no estudo de caso como o modelo de
transferência de calor.
O estudo está organizado em: demonstrar um fato ocorrido e as conseqüências,
relacionar por meio das normas verificação estrutural nas edificações, determinação
do TRRF pelo método tabular e tempo equivalente, determinação da temperatura
por meio das curvas de incêndio padrão e natural, analisar linearmente na seção
transversal comportamento da carga de incêndio em estruturas metálicas (vigas e
pórticos).
6.1 Incêndio ocorrido em galpão industrial
Em setembro de 2008 ocorreu um incêndio em um galpão industrial e os danos
restringiram-se ao armazém de produtos acabados com duração aproximada de 3
horas.
Após a análise da estrutura danificada, foi constatado que houve mudanças
significativas na estrutura conforme Figura 6.1, Figura 6.2 e Figura 6.3. Concluiu-se,
então em não aproveitar a estrutura existente para um novo projeto. Portanto, a
estrutura remanescente foi demolida e outra foi construída no local.
77
Figura 6.1 – Pilar e piso de concreto danificados situação de “Spalling”
Figura 6.2 – Piso danificado pelo incêndio “Spalling”
78
Figura 6.3 – Vista pilares que se mantiveram após o incêndio
6.2 Verificação estrutural
Segundo o decreto de lei 46.076 de 31 de agosto de 2001 as exigências de
verificação estrutural contra de incêndio são para edificações em qualquer grupo
com área superior a 750m² ou altura superior a 12,0m e independente da carga de
incêndio.
Os procedimentos que o CBMESP exige para atendimento do decreto acima
mencionado estão descritos na IT-08 (CBMESP, 2004) e para elementos estruturais
as metodologias são: execução de ensaios específicos de resistência em
laboratórios, atendimento das tabelas mencionadas no capítulo 5 e modelos
matemáticos (analíticos) normatizados.
A verificação estrutural da seção transversal neste trabalho abordará a análise linear
a partir de estruturas mais simples, ou seja, a viga simplesmente apoiada e condição
isostática e pórtico na condição hiperestática de um galpão esquematizado na
Figura 6.4.
79
Utilização como depósito, com uma área aproximada de 1.600m² e um pé direito
médio de 9 metros. A estrutura foi projetada com vigas e pilares metálicos. O
fechamento lateral do edifício foi projetado em alvenaria com espessura de 19 cm
com revestimento em ambos os lados.
Figura 6.4 – Planta e corte esquemático depósito
80
6.3 Análise do TRRF entre o método tabular e o tempo equivalente
Para dimensionamento do TRRF foram admitidas as características abaixo
relacionadas para o projeto do galpão industrial Figura 6.4:
Edifício para utilização como depósito de papel
Altura entre a saída e o último piso do edifício= 9,0m
Altura do compartimento (H) = 9,00m
Área de ventilação vertical (Av) = 96,00m²
Área de ventilação horizontal (Af) = 108,00m²
Área do piso = 1.600,00m²
Altura média das janelas (heq) = 1,50m
Área de parede = 1.800,00m²
Elemento de vedação: alvenaria
Com chuveiros automáticos
Com detecção automática
Brigada de incêndio não profissional
6.3.1 Análise pelo método tabular
Para determinação do TRRF pelo método tabular é feita com a entrada dos dados
feita nas tabelas das normas e instruções técnicas que está descrita na Tabela 5.6
da revisão bibliográfica. Os dados para o estudo em questão são:
Grupo / Ocupação / Uso: J-Depósito
Divisão J-3 (depósitos com carga de incêndio entre 300 a 1.200Mj/m²).
Classe de enquadramento: P2 (Altura da edificação 6 < h ≤ 12m)
O resultado obtido é de um TRRF de 60 minutos.
81
6.3.2 Análise pelo método do tempo equivalente
O cálculo para determinação do TRRF do depósito em estudo pelo método do tempo
equivalente está baseado nas equações e tabelas do Item 5.4.2. O TRRF é obtido
conhecendo-se: carga de incêndio, coeficientes de segurança e de proteção, fator
associado a ventilação do ambiente e fator de correção que depende do material.
A carga de incêndio é determinada pela equação 5.11,
O cálculo do coeficiente adimensional de medida de segurança contra incêndio foi
determinado pela Tabela 5.9.
=
O coeficiente de segurança em função da compartimentação foi obtido por meio das
Tabela 5.10 e Tabela 5.11.
O fator K é determinado pela característica do elemento de vedação do
compartimento que neste estudo é a alvenaria. Os dados do elemento de
compartimentação que neste caso é a alvenaria são:
massa específica da alvenaria 2.200Kg/m³
calor específico da alvenaria 1.000MJ/KgºC
condutividade térmica da alvenaria 1W/mºC
A Tabela 5.12 é utilizada para obtenção do valor de e conforme o resultado é
obtido o fator k.
√ J/m² s1/2 ºC
82
Portanto para = J/m² s1/2 ºC o fator é K = 0,055.
Para determinar o fator W relacionado a ventilação do meio ambiente é utilizada a
equação 5.13
[
]
1,002
O fator de correção estrutural obtido pela Tabela 5.13, é determinado pelo tipo de
material (concreto ou aço sem / com revestimento térmico), analisando em todas as
condições:
E=1, nos casos de estrutura de concreto ou de aço revestido termicamente.
E= 13,7V, sendo: √
E= 0,50, no caso de estrutura de aço sem revestimento térmico
O TRRF pelo método do tempo equivalente pode ser obtido pela equação 5.10, nas
situações:
Considerando o tempo equivalente com revestimento térmico
minutos
Considerando o tempo equivalente sem revestimento térmico
minutos
83
6.3.3 Aferição dos resultados
Fazendo um comparativo entre o método tabular (TRRF=60min) e o método do
tempo equivalente (45min e 23min) respectivamente com e sem revestimento
térmico, verificou-se que o método tabular é aproximadamente 33% maior que o
tempo equivalente com revestimento, pois o método tabular não leva em conta as
áreas de ventilação e compartimentação do prédio. Já o tempo equivalente com
revestimento é o dobro do que sem revestimento.
O método do tempo equivalente tem pouca utilização no Brasil (SILVA; VARGAS;
ONO, 2010). É recomendada a adoção da seguinte prática neste caso: o tempo
equivalente deve ser no mínimo 15min e adotar o menor valor entre o tabelado e
tempo equivalente, portanto o adotado neste estudo para calculo de TRRF é de
45min.
6.4 Modelo para transferência de calor
A transferência de calor se dá por três mecanismos: condução, convecção e
radiação. Define-se o mecanismo de condução como o qual em que o calor é
transferido a nível molecular sem qualquer movimento de porções macroscópicas da
matéria. A convecção é a transferência de calor na interface entre um fluido e as
superfícies de um sólido, está se dá independente dos gradientes térmicos, e
causado por um agente externo. Já a radiação que diferentemente das anteriores
que não depende de um meio entre a fonte de calor e o receptor esta é transferida
por ondas eletromagnéticas que podem ser absorvidas, transmitidas ou refletidas
pelas superfícies.
Caldas (2008) cita os programas FIRES-T3, TASEF-2, SAFIR e SUPER-TEMPCALC
como modelo para transferência de calor.
Os exemplos apresentados são perfil laminado com proteção tipo contorno, viga de
concreto, pilar misto quadrado preenchido com concreto.
Perfil I laminado com proteção tipo Contorno:
84
O perfil analisado conforme Ribeiro (2004) apud Caldas (2008) é um perfil
laminado IPE 400, com as propriedades de massa específica de 240kg/m³,
calor específico e condutividade térmica conforme Tabela 6.1.
Tabela 6.1 – Propriedades térmicas do perfil laminado IPE 400
Temperatura (ºC) Condutividade térmica (W/mºC) Calor específico (J/KgºC)
100 0,061 2093
200 0,08 1770
400 0,112 2148
482 0,147 2303
600 0,173 2343
1093 0,208 2512
Fonte: Ribeiro (2004) apud Caldas (2008)
O programa utilizado para comparação foi o SAFIR com o método de
diferenças finitas e os valores recomendados pela NBR 14323 (ABNT, 2003).
O perfil protegido foi discretizado em 1376 elementos e duas análises foram
feitas: 1032 elementos retangulares e 1020 elementos triangulares. A curva
utilizada foi a do incêndio padrão e considerado em todos os lados o
mecanismo de condução foi utilizado por meio do coeficiente igual 25W/m²C e
a emissividade resultante igual a 0,5 conforme NBR 14323 (ABNT, 2003).
Foi analisado para 30 minutos e 60 minutos e os resultados médios obtidos
encontram-se na,Tabela 6.2 a diferença nos resultados foram próximas
sendo 15% para 30 minutos e apenas 6% para 60 minutos.
Tabela 6.2 – Temperatura Média ºC
TRRF (min) MDF MEF (retangular) MEF (triangular) SAFIR NBR 14323
30 335 286 291 337 328
60 625 568 571 581 604
Fonte: Caldas (2008)
Foi elaborado também um para verificar o fluxo de calor com e sem
discretização do material de proteção e os resultados médios obtidos são
apresentados na
85
Tabela 6.3 – Temperaturas médias obtidas via MDF com e sem discretização do material de
proteção
TRRF (min) MDF (proteção discretizada) MDF (sem proteção discretizada) NBR 14323
30 335 332 328
60 625 610 604
Fonte: Caldas (2008)
Viga de concreto:
Para o estudo em viga de concreto com dimensões 160x230mm² sobreposta
por laje de 100mm Caldas (2008) compara resultados do programa
THERSYS com valores segundo a isoterma do EN 1992-1-2 (EUROCODE,
2004).
Os resultados obtidos estão descritos na Tabela 6.4 que analisa a média da
distribuição da temperatura e a Tabela 6.5 que observa o comportamento no
trecho submetida a maior temperatura em função da umidade em relação ao
peso do concreto de 2% e 4%.
Tabela 6.4 – Comparação dos resultados em relação a temperatura
TRRF (min) MDF/THERSYS EUROCODE
30 1,03 1,19
60 1,02 1,12
Fonte: Caldas (2008)
Tabela 6.5 – Comparação da temperatura obtida nas umidades 2% e 4%
TRRF (min) MDF Umidade 2% MDF Umidade 4% EUROCODE
30 812 811 820
60 936 936 939
Fonte: Caldas (2008)
Nota-se que na Tabela 6.4 os resultados não estão tão próximos e para
Caldas (2008) esta diferença deve estar associada principalmente às
propriedades do concreto como a condutividade térmica, calor específico e a
umidade, embora nos resultados obtidos com essa última propriedade estão
mais próximos.
86
Pilar misto quadrado preenchido com concreto:
O exemplo utilizado foi um pilar com dimensões de 405x405mm² com perfil
tubular de espessura de 5mm. Caldas (2008) analisou um comparativo entre
MDF e isotermas apresentadas no ECCS-TC3 (2001). Utilizou-se a
discretização em 7056 elementos e TRRF de 30 a 120 minutos. As
propriedades térmicas utilizadas foram conforme NBR 14323 (ABNT, 2003).
Os resultados obtidos foram próximos em vários pontos medidos da peça, em
geral, o ponto E indicado na Figura 6.5 houve alterações maiores que 5% e
quando o TRRF 90 e 120 minutos a alteração no ponto B chegou a
aproximadamente 14%.
Figura 6.5 – Pilar misto quadrado preenchido com concreto
A análise da transferência de calor satisfaz a condição de cálculo principalmente em
pilares de concreto, pois além do esmagamento do concreto e/ou escoamento das
armaduras pode ocorrer também a flambagem sendo a falha mais difícil de ser
avaliada do que vigas simplesmente apoiadas e lajes armadas em uma direção.
6.5 Análise comportamental das cargas de incêndio
Em virtude da contemporaneidade do assunto, apresenta-se a contribuição de
diversas pesquisas sobre o comportamento de estruturas em situação de incêndio.
Segundo Silva (2001), as condições de segurança das estruturas em situação de
incêndio são verificadas quando a temperatura atingida pelos elementos estruturais
(θm) for menor do que a temperatura crítica (θcr) desses elementos, ou seja, a
temperatura na qual a estrutura atinge o colapso.
87
Por razões mencionadas, o presente trabalho utiliza o programa FTOOL para
determinação dos diagramas de esforços, deslocamentos e deformações, que
representam a análise de estruturas planas.
6.6 Comportamento de vigas
Silva (2001) apresenta algumas situações que analisam por meio do programa de
Ansys a flecha, deslocamento, reação e momento fletor de vigas isostáticas e
hiperestáticas de perfil metálico.
Os parâmetros foram elemento “Beam24”, 25kN/cm², a deformação linear
específica considerada é relativa ao final do patamar de escoamento. O coeficiente
de dilatação térmica do aço considerado foi 1,4 10-5 ºC-1, a flambagem local não foi
considerada. A relação entre o valor de cálculo em situação de incêndio, do
carregamento (pd,fi) e o valor de cálculo do carregamento a temperatura ambiente
(pd) adotado é 0,6, sendo os resultados apresentados na Tabela 6.6.
Tabela 6.6 – Análise Ansys Viga metálica isostática e hiperestática
Temperatura (ºC)
flecha da deformada (cm) Deslocamento não linear Momento fletor na seção
mais solicitada (103 Kn/cm)
viga isostática
viga hiperestática
viga isostática
viga hiperestática
viga isostática
viga hiperestática
22 4 0 0 não há constante 100
200 6 20 3,5 não há constante 130
400 10 50 8 não há constante 150
600 72 100 5 não há constante 100
Fonte: Silva (2001)
Como se observa, as flechas são maiores na viga hiperestática, porém esse
aumento se dá de maneira mais lenta. O deslocamento devido à restrição nas vigas
hiperestáticas não é considerado. A variação do momento fletor ocorre na viga
hiperestática devido à diferença da reação vincular e das tensões que na
temperatura ambiente são de compressão e com o aumento da temperatura no
patamar da temperatura crítica a reação vincular inverte o sentido de aplicação do
esforço, reduzindo o momento fletor e aumenta as tensões de tração.
88
Um modelo de viga metálica isostática é estudado neste trabalho por meio do
programa FTOOL apresentado na Figura 6.6, as características adotadas são
30kN/cm² e viga tipo VS550x75: d=55cm; b=25cm; tf=1,25cm; tw=0,63cm.
Figura 6.6 – Viga metálica simplesmente apoiada
Os esforços internos não se alteraram em função da temperatura devido ao apoio
livre, portanto foi possível observar deslocamento horizontal que varia linearmente
conforme Figura 6.7.
Figura 6.7 – Deformações viga metálica em função da temperatura
0
1
2
3
4
5
6
7
8
20 200 400 600 800
Deslo
cam
en
to (
cm
)
Temperatura (ºC)
89
Devido às análises simplificadas do FTOOL percebe-se um aumento do
deslocamento com o aumento da temperatura, porém é possível observar no estudo
de Silva (2001) que este deslocamento é linear até certo limite e a partir de
aproximadamente 400ºC este decresce em análise não-linear.
6.7 Comportamento pórtico plano
O pórtico analisado abaixo utilizando o programa FTOOL pertence ao depósito
mencionado no item 6.2.
A estrutura é hiperestática, constituída por dois pilares engastados na fundação
ligados a uma viga. Os carregamentos de peso próprio e sobrecarga adotados são
g=1,3kN/m e q=0,10kN/m, as combinações de carga resultante p= g + q. Cargas
concentradas de Q1=16kN nos pilares e Q2=0,1kN no centro da cobertura conforme
Figura 6.9. O módulo de elasticidade de E= 205000MPa e o valor característico da
resistência ao escoamento fy= 250MPa foram obtidos pela NBR 8800 (ABNT, 2007).
As dimensões dos perfis utilizados são descritas abaixo e representadas na Figura
6.8:
Para viga: VS 400x 53kg/m Fator de massividade = 250 m-1
b= 20cm; d= 40cm; tw= 4,8mm; tf=12,5mm
Para os pilares: VS 400x49kg/m Fator de massividade = 175m-1
b= 20cm; d= 40cm; tw= 6,3mm; tf=9,5mm
Figura 6.8 – Detalhe perfil
90
Figura 6.9 - Pórtico hiperestático em análise
A Figura 6.10 apresenta a temperatura do aço em relação ao tempo conforme a
curva nominal da NBR 14432 (ABNT, 2000) apresentada pela equação 5.1 no item
5.2.6, devido à diferença do índice de massividade a temperatura é distinta nos
perfis em função do tempo.
Figura 6.10 – Curva do tempo x temperatura do aço
O pórtico foi dimensionado à temperatura ambiente e os diagramas de normal,
cortante, momento fletor e deformação obtidos estão representados nas Figura 6.11,
Figura 6.12, Figura 6.13 e Figura 6.14, admitindo-se linearidade geométrica e do
material
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60
temperatura do pilar temperatura da viga
B
C
A
91
Figura 6.11 – Diagrama de esforços normais
Figura 6.12 – Diagrama de forças cortantes
92
Figura 6.13 – Diagrama de momentos fletores
Figura 6.14 – Diagrama das deformadas
A variação de temperatura analisada foi de 20ºC a 900ºC, conforme a curva do
tempo e temperatura (Figura 6.10), o fator de redução do módulo de elasticidade foi
baseado na Tabela 5.4 e os valores resultantes do módulo de elasticidade estão na
Tabela 6.7.
As análises apresentadas a seguir são lineares sendo que os efeitos de 2ª ordem, o
gradiente térmico, flambagem e a perda de rigidez não foram considerados. Como a
temperatura dos elementos (vigas e pilares) estão próximas esta variação também
foi desconsiderada na aplicação das temperaturas.
93
Tabela 6.7 – Módulo de Elasticidade em função da temperatura
Temperatura (ºC) KE,θ (MPa)
20 1,000 205.000
100 1,000 205.000
200 0,900 184.500
300 0,800 164.000
400 0,700 143.500
500 0,600 123.000
600 0,310 63.550
700 0,130 26.650
800 0,090 18.450
900 0,068 13.940
A partir da redução do módulo de elasticidade e da variação da temperatura interna
ao longo de toda estrutura foram feitas análises lineares e as Figura 6.15, Figura
6.16 e Figura 6.17 apresentam a variação dos esforços nos pontos A, B e C
indicados na Figura 6.9.
Figura 6.15 – Diagrama de esforços no Ponto A (Engaste Pilar)
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
20 200 400 600 800
ES
FO
RÇ
OS
Temperatura (ºC)
Momento ( kN.m )
Cortante ( kN )
Normal ( kN )
94
Figura 6.16 – Diagrama de esforços no Ponto B (Pilar x Viga)
Figura 6.17 – Diagrama de esforços no Ponto C (Centro da Viga)
Nota-se que os esforços internos da cortante e da normal praticamente não se
alteraram significativamente por não levar em conta a perda da rigidez. É possível
verificar apenas o crescimento do momento na ordem da temperatura de 500ºC e
depois o seu decréscimo em função da redução do módulo de elasticidade.
A reação horizontal apresenta variação com o aumento da temperatura indicada na
Figura 6.18, ocorre em razão da dilatação da viga e depois decresce na mesma
proporção do momento em função da redução do módulo de elasticidade.
-450
-400
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
20 200 400 600 800
ES
FO
RÇ
OS
Temperatura (ºC)
Momento ( kN.m )
Cortante ( kN )
Normal ( kN )
-400
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
20 200 400 600 800
ES
FO
RÇ
OS
Temperatura (ºC)
Momento ( kN.m )
Cortante ( kN )
Normal ( kN )
95
Figura 6.18 – Reação Horizontal (kN) de apoio
A Figura 6.19 apresenta a variação dos deslocamentos nos pontos estudados da
estrutura em função da elevação da temperatura.
Figura 6.19 – Deslocamentos no Pórtico
Observa-se que o deslocamento no engaste não varia, devido o engaste, já no ponto
B (pilar x viga) o deslocamento é ascendente e praticamente linear acompanhando a
dilatação dos elementos viga e pilar. A situação de deformação no centro da viga
(Ponto C), no entanto, é praticamente o mesmo até a temperatura aproximada de
0
5
10
15
20
20 200 400 600 800
RE
AÇ
ÃO
Temperatura (ºC)
Reação horizontal ( kN )
-30
-20
-10
0
10
20
20 200 400 600 800
Deslo
cam
en
to (
cm
)
Temperatura (ºC)
Ponto B Ponto C
96
500ºC e depois devido a redução do módulo de elasticidade o deslocamento
decresce linearmente.
Foi possível analisar neste exemplo que as deformações térmicas podem provocar
aumento considerável dos esforços solicitantes e pode se observar também por
meio da curva de incêndio que este aumento encontra-se entre 10 a 15 minutos
depois de ocorrido o incêndio.
97
7 ANÁLISE DOS RESULTADOS
A perda de resistência e módulo de elasticidade são parâmetros importantes na
integridade estrutural quando sujeita a altas temperaturas.
Baseado na metodologia aplicada no estudo da carga de incêndio foi possível
constatar os seguintes aspectos que são destacados:
A partir dos dados de um projeto e seguindo as tabelas e parâmetro das normas foi
possível verificar tempos distintos de resistência ao fogo do ambiente quando a
análise é feita pelo método tabular e pelo método do tempo equivalente. O TRRF do
método tabular é superior em 15 min no estudo, as normas por sua vez não fazem
nenhuma recomendação ou sugestão de qual método utilizar. Na literatura
observou-se que o método do tempo equivalente tem pouca utilização no Brasil e
estudos recentes começam a colocar em evidência este método para utilização nos
projetos.
A transferência de calor no caso do material aço é satisfatória comparando-se os
resultados das normas com os resultados dos modelos computacionais numéricos.
Contudo o mesmo comparativo em vigas de concreto não apresentou resultados tão
próximos devido às propriedades do concreto como a condutividade térmica e calor
específico.
O comportamento da carga de incêndio na estrutura isostática não apresenta
diferença nos esforços internos. Isto ocorre por não existir restrição à deformação.
Assim, este tipo de estrutura pode deformar consideravelmente, ainda em
temperaturas baixas, aumentando o risco de colapso. O mesmo não ocorre nas
estruturas hiperestáticas, como demonstrado no gráfico do pórtico, onde as
deformações começam a ser consideráveis a partir dos 400ºC.
No pórtico em estudo (Figura 6.9) foram analisados os nós localizados no centro do
pórtico, na junção entre o pilar e a viga superior e no engaste do pilar com a
fundação.
98
Os esforços de cortante e normal tiveram variação pequena ao longo da estrutura
em comparação com o momento e o deslocamento.
No caso da cortante, o engaste e o centro da viga apresentaram na temperatura
crítica, isto é, entre 500ºC e 600ºC, variação de até três vezes se comparado aos
valores obtidos na temperatura ambiente. No centro da viga isto ocorreu por causa
da dilatação das vigas. Na base do pilar (engaste) essa variação ocorreu devido à
tendência das forças irem para o eixo do pórtico, ocasionando também a variação da
reação horizontal.
Ao verificar os momentos fletores no pórtico, os valores em todos os pontos
analisados apresentaram grandes variações quando submetido ao acréscimo da
temperatura diferentemente de outros trabalhos pesquisados. Cita-se que a variação
do momento de um pórtico em Silva (2001) provoca um acréscimo de cinco vezes no
engaste da temperatura ambiente para a temperatura de 400ºC. Na estrutura em
questão ocasionou um acréscimo de aproximadamente doze vezes. Como o
programa utilizado para a análise de comportamento estrutural foi o FTOOL,que faz
o estudo de forma linear, não levou em conta a perda de rigidez do pilar. Segundo
Silva (2001), ocorrem perdas significativas na rigidez do pilar a partir de 200ºC,
fazendo com que reduza significativamente os momentos fletores.
Ao estudar a estaticidade com o aumento de temperatura, verificou-se que, nas
estruturas isostáticas, a flecha de deformada fica cinco vezes menor do que nas
estruturas hiperestáticas a 400ºC. Entretanto na estrutura hiperestática o aumento
da flecha ocorre de forma mais lenta do que a estrutura isostática.
99
8 CONCLUSÕES
Ao longo do presente trabalho, com base nos aspectos apresentados no capítulo 5,
procurou-se apresentar e descrever aspectos de interesse relacionados à ação
térmica em elementos estruturais constituinte de sistemas estruturais. Ao comparar
os parâmetros de cálculo da curva padrão de incêndio pelas normas brasileiras e
internacionais verificou-se que a NBR 14.432 tem como base um incêndio em
materiais celulósicos. Este mesmo parâmetro é verificado na EN1991-1-2
(EUROCODE,2000) onde, além das curvas de materiais celulósicos admite para os
materiais a base de hidrocarbonetos e o incêndio em área externa. Outra curva
utilizada é a RWS curve (Breunese,2010) que é usada especificamente para túneis.
Com base nas informações anteriores deve ser complementada a norma brasileira.
Como solução para controlar as cargas excepcionais de incêndio foi o emprego de
proteções passivas em função do TRRF calculado e do índice de massividade das
peças.
No capítulo 6, estabelecido ponto de partida para análise dos modelos numéricos,
foram apresentados alguns resultados referentes ao estudo numérico aqui adotado.
A análise do comportamento da estrutura na situação de incêndio utilizando o Ftool
pode demonstrar a tendência da estrutura submetida a altas temperaturas. Contudo,
para fim de dimensionamento, os resultados obtidos somente com a alteração do
módulo de elasticidade encontraram-se divergentes da literatura pesquisada.
Por meio da análise do prédio em estrutura metálica, observou-se que as
deformações térmicas podem provocar aumento considerável dos esforços
solicitantes num curto tempo de exposição ao incêndio (10 a 15 minutos), ficando
próximo do método do tempo equivalente sem proteção térmica que foi de 22
minutos. Neste caso, é necessário um novo dimensionamento com o uso de
materiais de proteção térmica. Outra solução seria redimensionar a estrutura
acrescentando os esforços máximos solicitantes. Isto provoca o aumento da seção
das peças, tornando-se inviável economicamente.
100
9 RECOMENDAÇÕES
Os resultados obtidos com modelos simplificados de cálculo, quando comparados
aqueles obtidos via modelos numéricos, com relação aos casos analisados se
mostraram satisfatórios.
Diante dos resultados obtidos no capítulo 6, referente ao estudo de caso calculado
pelos métodos tabulares e tempo equivalente, conclui-se que a estratégia de
modelagem aqui adotada é eficiente para o estudo de situações em que elementos
de aço quanto são submetidos a um aquecimento uniforme em suas seções
transversais.
Os estudos foram executados no FTOOL. Este programa realiza a análise das
temperaturas de forma linear e não leva em consideração a perda de rigidez e
redução do módulo de elasticidade devido as cargas de incêndio. Como sugestão
para os próximos trabalhos, deve-se incorporar ao programa os parâmetros
anteriormente citados para que fiquem mais próximos aos programas comerciais,
tais como: ANSYS, SMARTHFIRE, VULCAN e CALTEMI.
A utilização de programas não-lineares e análises de momentos plásticos em cargas
de incêndio em estruturas de concreto como lajes e pilares para determinação da
temperatura critica.
Outra possibilidade para estudos futuros nos comportamentos das cargas de
incêndio nas estruturas são utilizações de materiais especiais no concreto como fibra
de vidro e/ou polipropileno reduzindo o efeito de Spalling explosivo na estrutura.
Os estudos acima sugeridos, quando abordado nas Universidades, são
apresentados de forma superficial e, naturalmente, os profissionais com estes
recursos adicionais terão oportunidades diferenciadas no mercado de trabalho.
101
REFERÊNCIAS
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105
ANEXO A
106
107
108
109
110
