CAPÍTULO 6 AÇO RESISTENTE AO FOGO
6.5. Estudos Realizados Sobre Estruturas em Aço Resistente ao Fogo
SAKUMOTO et al (1994) realizou uma série de ensaios com o intuito de verificar a resistência ao fogo de pilares fabricados em aço resistente ao fogo. Para essa série de ensaios foram utilizados os aços NSFR 490A (resistente ao fogo) e SM 490A (convencional). Todos os pilares foram em perfis H-300x300x10x15 e utilizou-se como proteção contra incêndio a lã de rocha, proteção cerâmica e tinta intumescente. Os ensaios foram realizados seguindo normas japonesas e o aumento da temperatura dentro do forno de ensaio seguiu a equação da curva do incêndio padrão. O carregamento foi mantido constante durante o ensaio e a carga aplicada aos pilares foi de 2100kN.
Os resultados dos ensaios mostraram que quando se utiliza lã de rocha e proteção cerâmica como isolante térmicos, a uma temperatura de 100ºC no forno, a elevação da temperatura do aço não sofre aumento até que toda a umidade destes materiais evaporem. Utilizando estes materiais de proteção, os pilares em aço resistente ao fogo não falharam para temperaturas inferiores que 600ºC sendo que nestes pilares foram aplicadas espessuras de proteção que variaram de 10 a 35mm. Os resultados mostraram que, quando se utiliza pilares em aço resistente ao fogo, as espessuras de materiais isolantes necessárias para que estes resistam ao TRRF especificado foram geralmente de 10 a 20mm inferiores às necessárias para a proteção dos pilares em aço convencional.
Para os ensaios utilizando a tinta intumescente, foi aplicado aos pilares uma espessura de tinta que variou de 1,2 a 2,5mm. Observou-se que a expansão volumétrica da tinta terminou aproximadamente em 300ºC, apresentando nesta temperatura uma espessura final que variou de 40 a 50mm. Após 300ºC, a tinta intumescente apresentou um comportamento similar a uma proteção de lã de rocha com 10mm de espessura. Observou-se que para os pilares em aço resistente ao fogo, foi mais fácil alcançar uma
Sakumoto chegou a conclusão que a utilização de pilares em aço resistente ao fogo, aumenta o tempo de resistência ao fogo destes quando comparado com pilares em aços convencionais. A espessura de proteção contra incêndio é reduzida a uma espessura inferior à necessária para os pilares em aço convencional e 1 hora de resistência ao fogo pode ser obtida quando é utilizada a tinta intumescente como material de proteção contra incêndio (SAKUMOTO et al, 1994).
SHA (1998) estudou o efeito da utilização do aço resistente ao fogo no aumento da resistência à flexão nos seguintes tipos de vigas. (1) Vigas mistas sobrepostas por laje de concreto com forma de aço incorporada; (2) Sistema SLIMFLOR (figura 6.15) não composto (a viga de aço não está ligada através de conectores ao concreto da laje slim floor); (3) Sistema ASB SLIMDEK estando a viga de aço (viga assimétrica) trabalhando juntamente com o concreto da laje slim floor, figura 6.16.
Este trabalho foi realizado computacionalmente, baseado em dados experimentais do comportamento destes elementos estruturais em situação de incêndio. Foram utilizados o aço convencional S355 (aço produzido na Inglaterra) e os aços FR1 e FR2 resistentes ao fogo e produzidos no Japão. O comportamento destes aços em situação de incêndio, ou seja, os fatores de redução do módulo de elasticidade e resistência ao escoamento foram simulados a partir de dados de ensaio previamente realizados.
No caso dos sistemas compostos, SLIMFLOR e ASB SLIMDEK, a parte da viga de aço exposta ao fogo foi considerada sem a utilização de proteção contra incêndio devido a grande resistência ao fogo proporcionada pelo concreto. No caso das vigas mistas em perfis I sobrepostos por uma laje de concreto com forma de aço incorporada, foi considerado uma proteção contra incêndio por meio de placas de gesso de 18mm de espessura em torno do perfil.
A tabela VI.4 mostra o ganho em resistência ao fogo obtido para cada um destes sistemas quando optou-se pelo uso das vigas em aço resistente ao fogo. Observa-se que no caso da viga I sobreposta por laje de concreto ocorreu o maior acréscimo na resistência ao fogo (24 minutos). No caso das vigas dos sistemas SLIMFLOR e ASB
Figura 6.15 – Esquema do sistema SLIMFLOR (SHA, 1998).
Tabela VI.4 – Resistência ao fogo (em minutos) das vigas analisadas quando submetidas ao momento fletor (SHA, 1998).
TIPO DA VIGA Aço
Viga I (1) SLIMFLOR (2) ASB SLINDECK (3)
S355 74 64 51
FR1 96 (+22) 75 (+11) 66 (+15)
FR2 98 (+24) 76 (+12) 67 (+16)
O número entre parêntesis refere-se ao incremento na resistência ao fogo devido à adoção do aço resistente ao fogo.
SLIMDECK, o aumento foi menos acentuado devido a grande contribuição do concreto como isolante térmico.
O autor concluiu que a utilização do aço resistente ao fogo alcança um pequeno ganho na resistência ao momento fletor de vigas sobrepostas por concreto. Este ganho é menor quando o aço resistente ao fogo é combinado com os novos sistemas de construção baseado nos princípios da engenharia de incêndio (SLIMFLOR e SLIMDEK).
Observou-se também que o aumento da resistência ao fogo destes elementos estruturais devido a utilização do aço resistente ao fogo é inversamente proporcional ao aumento do tempo requerido de resistência ao fogo da edificação. A melhor utilização do aço resistente ao fogo ocorre para temperaturas compreendidas entre 400 e 800°C. Isto se deve ao fato de que nesta faixa de temperatura é que ocorre a maior diferença entre as curvas dos fatores de redução da resistência ao escoamento dos aços resistentes ao fogo e aços comuns.
O ideal seria que a utilização de um aço resistente ao fogo em substituição a um aço convencional proporcionasse um ganho na resistência ao fogo de pelo menos 30 minutos. A pesquisa concluiu que um aço resistente ao fogo “arbitrário”, que possuísse uma curva do fator de redução da resistência ao escoamento como a definida pelo Eurocode 4 para os aços convencionais, porém, deslocada de 150°C para a direita, forneceria este ganho em resistência ao fogo para os sistemas analisados (SHA, 1998).
SAKUMOTO (1999) estudou a utilização de novos métodos de segurança ao incêndio adotados devido a introdução de novos materiais de proteção, estudando como exemplo, um edifício de escritórios de quatro pavimentos. Os materiais de proteção contra incêndio adotados foram as tintas intumescentes (aplicadas ao pilares) e forros de placas de gesso (aplicados ao teto do andar, figura 6.17). Este último foi colocado de forma a isolar as vigas e a laje do teto do compartimento em chamas, permitindo a eliminação da necessidade de proteção nestas vigas. Os aços utilizados neste trabalho foram os aços resistentes ao fogo e os aços convencionais.
Figura 6.17 – Forro de gesso utilizado como proteção térmica às vigas da laje (SAKUMOTO et al, 1999).
As temperaturas críticas dos pilares e vigas do edifício em questão foram calculadas e, para os aços comuns, obteve-se respectivamente 562 e 615°C. No caso da adoção do aço resistente ao fogo, as temperaturas críticas dos pilares e vigas foram 705 e 730°C respectivamente. Neste estudo, três cargas específicas de incêndio foram utilizadas (30, 40 e 50kg/m2), sendo elas consideradas usuais em edifícios de escritórios. A temperatura máxima atingida durante o incêndio no exemplo adotado pelo autor foi de 1002°C e o TRRF máximo foi de 76,7 minutos.
Pelos resultados das temperaturas críticas dos elementos estruturais, observa-se que a espessura de proteção contra incêndio necessária para a proteção dos elementos estruturais em aço resistente ao fogo será menor que para o aço comum, tanto no caso das tintas intumescente quanto no caso dos forros de gesso acartonado. Portanto, observa-se que até mesmo para edifícios com alta exigência de resistência ao fogo, a utilização do aço resistente ao fogo acarretará em uma economia de material de proteção contra incêndio. Aliado a novos sistemas de resistência ao fogo como a utilização de tintas intumescente e forros estanques à propagação do calor, o aço resistente ao fogo pode ser uma boa opção.
KUBOTA e SAKUMOTO (1999) desenvolveram um estudo para a utilização do aço resistente ao fogo para edifícios residenciais. O objetivo deste trabalho foi estudar o efeito da utilização do aço resistente ao fogo sem proteção contra incêndio, porém utilizando no projeto de resistência ao fogo, as propriedades térmicas dos materiais do interior da edificação (como paredes dry wall e forros) para fornecer proteção aos elementos estruturais de aço.
Embora as paredes dry wall possuam boas propriedades térmicas, normalmente não são usadas como proteção térmica para os elementos estruturais de aço. Isto ocorre devido à existência de fendas nas junções dos materiais utilizados no interior das edificações (paredes e forros).
intuito de verificar a proteção gerada por paredes de placas de gesso (muito utilizada no Japão) aos pilares da edificação e a proteção gerada por forros de placas de gesso às vigas da edificação.
Observou-se, que para todos os pilares ensaiados, a temperatura atingida após uma hora de ensaio foi inferior a 600°C. O colapso destes pilares ocorreu para uma temperatura de 694°C e um tempo de 95 minutos quando as placas de gesso foram colocadas na forma de membrana conforme figura 6.18. Quando as placas de gesso foram colocadas em torno do perfil, o colapso destes ocorreu para uma temperatura de 790°C e um tempo de ensaio de 81 minutos. A falha das placas de gesso não foi observada antes do término dos testes.
Também para as vigas, a temperatura atingida após 1 hora de ensaio foi inferior a 600°C. O colapso das vigas ocorreu para uma temperatura de 691°C e para um tempo de 68 minutos, quando o forro foi colocado na forma de membrana conforme figura 6.19. Quando o forro foi colocado em torno do perfil da viga, o colapso aconteceu para uma temperatura de 695°C e para um tempo de 70 minutos.
Os ensaios conduzidos para os pilares em aço resistente ao fogo sujeitos aos carregamentos de situação de incêndio, mostraram que a resistência ao fogo de 1 hora foi obtida através da adoção de placas de gesso com 15mm de espessura para os dois tipos de sistema (membrana e envolvimento). No caso das vigas, para a obtenção de 1 hora de resistência ao fogo foi necessário a adoção de duas placas de gesso de 12,5mm para o sistema de membrana e uma placa com 15mm de espessura para o sistema de envolvimento.
Observa-se que, como em nenhum caso a temperatura de colapso dos pilares foi inferior a 600°C, a adoção do aço resistente ao fogo permitiu a utilização da estrutura metálica sem proteção contra incêndio, utilizando somente os forros e paredes como uma forma de se obter resistência ao fogo de 1 hora. No caso de aços convencionais isto não seria possível segundo as normas japonesas (KUBOTA e SAKUMOTO, 1999 ).
Figura 6.18 – Esquema de uma parede de gesso protegendo o pilar na forma de membrana (KUBOTA e SAKUMOTO, 1999).