Proteção ao fogo das estruturas



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BOLETIM TÉCNICO

Ano II / No 04

Setembro-Outubro/97



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roteção ao fogo das estruturas


Valdir Pignatta e Silva*

1 Introdução
Não há Norma Brasileira para estruturas metálicas em situação de incêndio. Procura-se simular o dimensionamento das estruturas de aço por meio de técnicas não-científicas, utilizando-se uma curva padronizada temperatura-tempo do incêndio, associada a tempos preestabelecidos de ação térmica e uma temperatura crítica do aço, considerada constante.

No caso das estruturas de concreto, há a Norma Brasileira NBR 5627 (1980), onde são fixados os valores do cobrimento da armadura para cada tipo de peça estrutural. Por exemplo, para uma resistência de duas horas de fogo, o cobrimento das peças sem revestimento deve ser 45 mm para os pilares, 20 mm a 45 mm para as lajes e 40 mm a 65 mm para as vigas.

Em 1996, foi criada a comissão de estudos CE-24:301-06/ABNT para a elaboração do texto-base da Norma “Dimensionamento de Estruturas de Aço de Edifícios em Situação de Incêndio”. Atualmente está em fase de conclusão dos trabalhos.

Este boletim tem a finalidade de apresentar, resumidamente, o método simplificado para o dimensionamento das estruturas de aço em situação de incêndio, que será recomendado pelo texto-base citado. Esse método é baseado em normas européias (ENV 1991-2-2 (1995) e ENV 1993-1-2 (1995)) e adaptado às normas brasileiras em vigor (NBR 8681 (1984) e NBR 8800 (1986)). O texto-base permitirá também, que métodos avançados de cálculo envolvendo Termodinâmica e Teoria das Estruturas possam ser utilizados para a modelagem do incêndio e dimensionamento da estrutura.

Para efeito deste texto, as seguintes definições são aplicadas:

Compartimento de incêndio - Um volume no interior de uma edificação, limitado por materiais de vedação, estanques, que impedem a propagação do incêndio para o exterior.

Fator de massividade de uma seção transversal - Relação entre o perímetro do elemento estrutural de aço exposto ao incêndio e sua área (u/A), para elementos sem proteção, ou up/A, para elementos com proteção contra incêndio.

2 AÇÃO TÉRMICA E CÁLCULO DA TEMPERATURA DO AÇO

Ação térmica é a ação na estrutura descrita por meio do fluxo de calor, por radiação e por convecção, que surge devido à diferença de temperatura entre os gases do ambiente em chamas e os componentes da estrutura. A principal característica de um incêndio, no que concerne à análise estrutural é a curva que fornece a temperatura dos gases em relação ao tempo de incêndio (Fig.1).





Figura 1 - Incêndio Real

Essa curva apresenta uma região inicial (pré-flashover) com baixas temperaturas, em que o incêndio é considerado de pequenas proporções. Caso nesse intervalo de tempo as medidas de proteção ativa sejam eficientes, nenhuma verificação adicional da estrutura será necessária.

O instante em que se dá o aumento brusco da inclinação da curva é conhecido como “flashover” e ocorre quando a superfície de toda a carga combustível presente no ambiente entra em ignição, o incêndio torna-se de grandes proporções tomando todo o compartimento e a temperatura dos gases eleva-se rapidamente até o material combustível extinguir-se, a partir do que há a redução gradativa da temperatura dos gases. Se as medidas de proteção ativa não forem eficientes para extinguir o incêndio durante o pré-flashover e houver interesse na proteção patrimonial, então deve-se verificar a segurança da estrutura incluindo a ação térmica. Para tal modela-se o incêndio como se este se iniciasse no “flashover” (Fig.2).



Figura 2 - Modelo de incêndio

(Incêndio Natural)
Ensaios realizados em áreas compartimentadas demonstram que essa curva depende da geometria do compartimento, das características térmicas dos materiais de vedação, da quantidade do material combustível e do grau de ventilação do ambiente em estudo. Esse modelo, que procura simular o incêndio realisticamente, é conhecido como modelo de incêndio natural. Há vários métodos para a determinação da temperatura dos gases respeitando esse modelo: método do tempo equivalente (ENV 1991-2-2 (1995)), métodos que consideram a uniformidade da temperatura no ambiente em chamas (PETTERSSON (1976), SILVA; PIMENTA (1996)), “zone model”, “computational fluid dynamics”.

Tendo em vista que para cada situação a curva temperatura-tempo do incêndio se altera, convencionou-se adotar uma curva padronizada temperatura-tempo, para servir como modelo para a analise experimental de estruturas ou materiais isolantes térmicos em fornos de institutos de pesquisa. Na falta de estudos mais realísticos, essa curva padronizada para ensaios poderá ser adotada como curva temperatura-tempo dos gases. Esse modelo é conhecido como incêndio-padrão (Fig. 3).





Figura 3 - Modelo de incêndio

(Incêndio-Padrão)

Conhecida a curva temperatura-tempo do incêndio, o fator de massividade da peça estrutural e algumas expressões de transferência de calor, é possível determinar-se a curva temperatura-tempo do elemento estrutural em estudo, a máxima temperatura atingida (Fig. 4) e dimensioná-lo para essa temperatura.





Figura 4 - Temperatura do aço

(Incêndio Natural)



Figura 5 - Temperatura do aço

(Incêndio-Padrão)

A utilização do modelo do incêndio-padrão não permite encontrar a máxima temperatura que a peça atinge, exigindo o preestabelecimento de tempos padronizados, em função das dimensões e tipo de utilização da edificação a fim de encontrar-se uma temperatura (Figura 5), na curva temperatura-tempo da peça estrutural, que possa ser utilizada no dimensionamento.



2.1 Cálculo da temperatura no aço

Para uma distribuição uniforme de temperatura na seção transversal, a elevação de temperatura (C) de um elemento estrutural, durante um intervalo de tempo , pode ser determinada por:



2.1.1 Elementos estruturais sem proteção contra incêndio:

sendo

com e

onde: = 25 W/m² °C , = 0,5 , 5 s , ca=600 J/kg°C e a=45 W/m°C



2.1.2 Elementos estruturais envolvidos por material de proteção contra incêndio:

com: e  30s.



3 Propriedades Mecânicas

A exposição do aço a altas temperaturas faz degenerar as suas características físicas e químicas causando redução da resistência e da rigidez. Cabe salientar que fenômeno de conseqüências similares ocorre também com o concreto. Apresenta-se a seguir as curvas que indicam a redução do limite de escoamento (Fig.6) e do módulo de elasticidade dos aços estruturais e do concreto (Fig.7), devido ao aumento da temperatura e o diagrama tensão-deformação (Fig.8) do aço ASTM A-36 em função da temperatura (ENV 1993-1-2 (1995), SILVA;PIMENTA (1995)).





Figura 6 -



Figura 7 -



Figura 8 - Diagrama tensão-deformação do aço ASTM A-36 em função da temperatura

4 AÇÕES E SEGURANÇA ESTRUTURAL

Considera-se que a capacidade estrutural de um elemento se mantém por um tempo t em um incêndio se:



As solicitações de cálculo em situação de incêndio (Sfi,d) devem ser determinadas a partir das combinações de ações para os estados limites últimos em situação de incêndio, consideradas como combinações últimas excepcionais e obtidas de acordo com a NBR 8681.

Para os estados limites últimos em situação de incêndio, as resistências de cálculo devem ser determinadas usando-se o coeficiente de resistência fi,a = 1,00. Deve-se considerar também o efeito da ação térmica, por meio dos fatores de redução kT.

5 método simplificado para o Dimensionamento

Apresenta-se a seguir as recomendações para o dimensionamento em situação de incêndio de elementos estruturais de aço. Os elementos estruturais de aço e as ligações devem ser projetados à temperatura ambiente de acordo com a NBR 8800. O método simplificado de cálculo se aplica aos elementos que compõem a estrutura individualmente.



5.1 Resistência dos Elementos Estruturais de Aço

5.1.1 Barras tracionadas

Estado limite último de escoamento da seção bruta:



Estado limite último de ruptura da seção líquida efetiva: não precisa ser considerado, desde que haja um parafuso em cada furo.



5.1.2 Barras comprimidas

Este item se aplica às barras axialmente comprimidas, cujos elementos componentes da seção transversal não possam sofrer flambagem local em regimes elástico ou elasto-plástico.



O valor de deve ser obtido de acordo com a NBR 8800, mas usando-se sempre a curva c. O parâmetro de esbeltez para a temperatura atingida no tempo t é dado por:

O comprimento de flambagem para a situação de incêndio deve ser determinado como no projeto à temperatura ambiente. No entanto, em um pórtico indeslocável de edifício em que cada andar constitua um compartimento de incêndio, de modo que a resistência a incêndio dos componentes que separam estes andares não seja menor que a resistência a incêndio do pilar, em um andar intermediário, pode ser tomado igual a 0,5L, e no último andar igual a 0,7L, onde L é a altura do andar em consideração.

5.1.3 Barras fletidas

Este item se aplica às barras fletidas, cujos elementos componentes da seção transversal não possam sofrer flambagem local em regime elástico. O valor do parâmetro de esbeltez para os estados limites últimos de flambagem local da alma e flambagem local da mesa comprimida e flambagem lateral, em situação de incêndio, deve ser sempre determinado conforme NBR 8800. Os valores dos parâmetros de esbeltez correspondentes à plastificação (p) e ao início do escoamento (r), devem ser determinados como na NBR 8800, substituindo-se fy por ky, fy e E por kE, E.

A resistência de cálculo ao momento fletor , para FLT (flambagem lateral), no tempo t de uma barra fletida é igual a:

 se p

 se p < r

 se r

O fator de correção k1 , para distribuição de temperatura não-uniforme na seção transversal, vale 1,0 para uma viga com todos os quatro lados expostos e 0,70 para uma viga com três lados expostos, com uma laje de concreto no quarto lado. O fator de correção k2 , para distribuição de temperatura não-uniforme ao longo do comprimento da barra fletida, vale 0,85 nos apoios de uma viga estaticamente indeterminada e 1,0 em todos os outros casos.

5.2 Ligações

A resistência das ligações entre elementos estruturais não precisa ser verificada desde que a resistência térmica (tp/p)j da proteção contra incêndio da ligação não seja menor que o valor mínimo da resistência térmica (tp/p)m da proteção contra incêndio de qualquer elemento conectado. Adotar tp = 0 quando não houver proteção.



6 símbolos
A - área da seção transversal

Ag - área bruta da seção transversal da barra.

E - módulo de elasticidade do aço a 20°C

ET -módulo de elasticidade tangente dos aços em temperatura elevada

I - momento de inércia

Mfi,t,Rd - resistência de cálculo ao momento fletor no tempo t em situação de incêndio

Mn - resistência nominal ao momento fletor

Mpl - momento de plastificação

Mr - momento fletor correspondente ao início do escoamento

-resistência de cálculo em situação de incêndio,no tempo t, de uma barra tracionada ou comprimida em situação de incêndio

- resistência de cálculo no tempo t, em situação de incêndio

- solicitação de cálculo em situação de incêndio

Ta , - temperatura do aço e temperatura dos gases (C)

Ta,t , Tg,t - temperatura do aço e temperatura dos gases no tempo t

ca , cm - calor específico do aço e calor específico do material de proteção contra incêndio

fu - limite de resistência, a 20°C, dos aços laminados a quente

fy , fy,T - limite de escoamento dos aços laminados a quente, a 20°C e em temperatura elevada respectivamente

- valor do fluxo de calor por unidade de área (W/m2)

,-componente do fluxo de calor por convecção e por radiação

k1 - fator de correção para temperatura não-uniforme na seção transversal de um elemento estrutural

k2 - fator de correção para temperatura não-uniforme ao longo do comprimento do elemento

-fator de redução para o módulo de elasticidade

- fator de redução para o limite de escoamento dos aços

t - tempo de resistência a incêndio

tm - espessura do material de proteção contra incêndio

u - perímetro do elemento estrutural exposto ao incêndio

um - perímetro efetivo do material de proteção contra incêndio

c - coeficiente de transferência de calor por convecção

res - emissividade resultante

- coeficiente de resistência do aço

 - parâmetro de esbeltez

p - parâmetro de esbeltez correspondente à plastificação

r - parâmetro de esbeltez para barras comprimidas correspondente ao início do escoamento



,- parâmetro de esbeltez para barras comprimidas em temperatura ambiente e em temperatura elevada respectivamente

- massa específica do aço igual a 7850 kg/m3

fi - fator de redução da resistência de barras axialmente comprimidas em situação de incêndio

m -massa específica do material de proteção contra incêndio(kg/m3)

a , m - condutividade térmica do aço e do material de proteção


7 Referências BibliogrÁficas
-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ações e segurança nas estruturas. NBR 8681. Rio de Janeiro. 1984

-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios. NBR 8800. Rio de Janeiro. 1986

-EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDISATION. ENV 1991-2-2 Eurocode 1: Basis of design and actions on structures, Part 2.2: Actions on structures exposed to fire. Brussels. 1995

-EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDISATION. ENV 1993-1-2 Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1.2: Structural fire design.Brussels. 1995.

-PETTERSSON,O.; MAGNUSSEN,S.; THOR, J.; Fire engineering design of steel structures. Swedish Institute of Steel Construction. Stockholm. 1976.

-SILVA,V.P.; PIMENTA,P.M. “Diagrama Tensão-Deformação dos Aços Estruturais Submetidos a Altas Temperaturas”. Boletim Técnico BT/PEF/9519. Escola Politécnica. São Paulo. 1995.

-SILVA, V. P.; PIMENTA, P.M.; “Determinação da Curva Temperatura-Tempo de um Incêndio Natural Compartimentado”, Boletim Técnico BT/PEF/EPUSP/9624. Escola Politécnica. São Paulo. 1996.
* Valdir Pignatta e Silva - Professor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.


Este número foi patrocinado pela:

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Fone/Fax.: (011) 744-2636 e 441-5296

Publicação do Grupo de Pesquisa em Segurança contra Incêndio do Núcleo de Pesquisa em Tecnologia da Arquitetura e do Urbanismo da Universidade de São Paulo - GSI/NUTAU/USP

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