Perfil HEB200 – paredes em contato com as mesas

Na modelagem do perfil HEB200 foi considerada superfície com perda de calor na face oposta àquela referente à ação térmica, 15 mm de argamassa revestindo a parede de ambos os lados com as propriedades térmicas citadas em Silva, Correia e Rodrigues (2008) e vistas no item 3.6 através da Tabela 3.3, bem como parede com 15 cm de espessura por 80 cm de largura. A Figura 5.18 mostra os pontos de onde os resultados foram coletados para fins de comparação aos resultados de outros autores.

Figura 5.18 – Disposição dos pontos com dados coletados e malha de elementos finitos. Tabela 5.5 – Dimensões do perfil HEB200.

Dimensão Valor hw 170 mm hd 190 mm tw 6 mm bf 200 mm tf 10 mm Parede 150 mm Argamassa 15 mm

Variou-se a emissividade em 0,5 e 0,7 para observar a diferença dos resultados na consideração de cada um desses valores, bem como a perda de calor pelo efeito de radiação (com emissividade 0,5 ou 0,7 e temperatura do ambiente externo constante em 20 ºC) e convecção (4 W/m2ºC). Também foi considerada a hipótese de ambos os efeitos de perda de calor (radiação e convecção) combinados em um coeficiente de convecção equivalente (9 W/m2ºC), conforme Figura 5.19, ambos sugeridos em Silva, Correia e Rodrigues (2008) e recomendado pelo EUROCODE 1 parte 1.2.

Figura 5.19 – Esquema da fonte de calor e da perda com paredes as mesas. FONTE: Silva, Correia e Rodrigues (2008)

Inicialmente fora utilizada a curva de incêndio-padrão ISO 834-1:1999 para o aquecimento dos gases e, consequentemente, do modelo numérico. Os resultados com a variação na emissividade, tanto para o fornecimento de calor quanto para a perda pela face oposta, e com a variação do modo de perda de calor, conforme citado anteriormente, e utilizada em Silva, Correia e Rodrigues (2008), são exibidos na Figura 5.20.

Figura 5.20 – Curvas de aquecimento de quatro pontos de interesse do perfil HEB200 para diferentes situações de emissividade, superfície de perda de calor e curva de incêndio ISO

834-1:1999.

Com relação à última figura, vale lembrar que os pontos T1, T2, T3 e T5 estão esquematizados na Figura 5.18, destacando que os valores de emissividade e a forma utilizada para a perda de calor são vistos na legenda da figura a seguir, da seguinte forma: T1e5c4 indica o ponto T1 com emissividade 0,5 e perda de calor por convecção de 4 W/m2ºC e por radiação, enquanto T1e7c9 indica o ponto T1 com emissividade 0,7 e perda com ambos

T1 T5

efeitos combinados considerados pela convecção de 9 W/m2ºC. Os resultados encontrados são comparados aos obtidos em Silva, Correia e Rodrigues (2008).

Apesar de as curvas não apresentarem boa concordância entre si é interessante observar que a mudança do fator de emissividade pouco altera a resposta térmica do perfil. Por outro lado, a forma que se considera a perda de calor muda consideravelmente o resultado. Em Staggs e Phylaktou (2008) resultados numéricos e experimentais mostram que o valor considerado para a emissividade pouco influencia nos resultados, como mostra a Figura 5.21, e sugere para a convecção valores próximos a 28 W/m2ºC como mais apropriados. Posteriormente em Stagss (2009), concluiu-se que um valor satisfatório da convecção para a superfície de perda de calor resultaria em algo entre 2 e 4 W/m2ºC.

Figura 5.21 – Efeitos máximo e mínimo na temperatura do aço devido a variação da emissividade (0 < ε < 1) comparado ao experimento de uma viga de aço sem proteção.

FONTE: Stagss (2009)

Uma vez que os valores térmicos obtidos pelos modelos numéricos aqui propostos resultaram sempre superiores em relação à última referência citada, buscou-se melhorar os dados de entrada com vistas a uma melhor convergência dos resultados comparativos. Em Silva, Correia e Rodrigues (2008) é apresentada uma série de curvas de tomada de temperatura do forno (como na Figura 5.22a) no modelo experimental, quatro ao total, uma para cada situação e perfil estudado, as quais resultaram sempre abaixo da curva de incêndio- padrão ISO 834-1:1999 adotada nos modelos numéricos desta atual pesquisa, sendo esse um possível motivo para o “superaquecimento”.

A curva de temperaturas do tipo 1, reproduzida na Figura 5.22, representa a situação que se pretende comparar, nesse caso, perfil HEB200 com paredes em contato com as almas. A curva de tipo 3 considera a mesma configuração da curva tipo 1, porém, considera a utilização do perfil HEB160. Para facilitar a entrada dos dados no código computacional ANSYS e para que os pontos discretos de temperatura obtidos no forno pudessem ser extrapolados para qualquer tempo dentro do intervalo de 0 a 3600 segundos, foi realizada uma regressão linear dos pontos e encontrada uma expressão polinomial do quinto grau, com coeficiente de correlação r² igual a 0,9982524) para representar a curva do tipo 1.

Os gráficos citados estão na Figura 5.22, e o polinômio é apresentado na Equação 5.1, em que o tempo (t) é dado em segundos e a temperatura (θ) em graus Celsius, cujos coeficientes são apresentados na Tabela 5.6.

(5.1)

Tabela 5.6 – Parâmetros do polinômio curva tipo 1.

Termo Valor A -57,760123 B 2,3154003 C -0,003090188 D 1,9316895 x 10-6 E -5,3937487 x 10-10 F 5,4839927 x 10-14 (a) (b)

Figura 5.22 – Curvas (a) ISO 834-1:1999, tipo 1 e tipo 3 consideradas na referência citada e (b) curva tipo 1 discretizada e polinômio equivalente.

Como o polinômio de aproximação da Equação 5.1 apresenta valores negativos no trecho inicial, considerou-se essa equação apenas para o trecho da curva após o primeiro

0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 60 Tem p e ratu ra (° C) Tempo (minutos) ISO834 tipo 1 discretizada tipo 1 polinomial corrigida

ponto (60 segundos; 29,7ºC) da curva, sendo antes desse considerada uma equação linear (Equação 5.2) para corrigir os valores negativos e inferiores à temperatura ambiente. Foi então considerada a nova curva de aquecimento dos gases, coerente com o observado experimentalmente e, portanto, com maior confiabilidade na comparação dos resultados. Foram encontradas curvas de aquecimento dos pontos de interesse T1, T2, T3 e T5 para uma emissividade de 0,7 e perda de calor na face oposta apenas por convecção (9 W/m2ºC) conforme esquematiza a Figura 5.23.

(5.2)

Figura 5.23 – Curvas de aquecimento de quatro pontos de interesse do perfil HEB200 para emissividade 0,7, superfície de perda de calor, paredes nas mesas e curva de incêndio

experimental tipo 1.

A nomenclatura das legendas segue o padrão das figuras anteriores, ou seja, T1e7c9IE indica o ponto de interesse T1 com emissividade considerada com o valor 0,7 e perda de calor

somente por convecção com o valor de 9 W/m2ºC. A indicação de T1e7c4IE representa o mesmo ponto T1, porém, com perda de calor por convecção (4 W/m2ºC) e por radiação. As letras IE ao final significam Incêndio Experimental, indicando que fora utilizada a mesma curva de aquecimento dos gases registrada no interior do forno.

Apesar da boa convergência em relação aos resultados numéricos apresentados em Silva, Correia e Rodrigues (2008), esses obtidos com o código computacional STC, os resultados experimentais ainda resultam pouco coincidentes. Um dos motivos “possíveis” para tal fato é a não caracterização das propriedades físico térmicas da alvenaria, que desempenha papel importante nas trocas de calor com o perfil de aço. Os valores utilizados em diversas referências encontradas (inclusive na presente pesquisa) são os sugeridos pelo código computacional Ozone, desenvolvido pela Universidade de Liège. Os valores das propriedades para a alvenaria são: 0,7 W/m2ºC para a condutividade térmica, 840 J/kgºC o calor específico e densidade de 1600 kg/m3, ambos considerados constantes com a variação da temperatura.

Também podem ser citados outros fatores que “possivelmente” interferem na comparação entre os resultados experimentais e numéricos, a exemplo do valor correto da emissividade de radiação a ser utilizada. A ABNT NBR 14323:1999 considera um valor de 0,5 para a emissividade, enquanto que o EUROCODE 3 – Parte 1.2 adota o valor de 0,7, o qual é ponderado por um fator de correção para consideração do efeito shadow (o qual sugere estudos mais detalhados). Os resultados apresentados na Figura 5.20 sugerem que as duas formas de considerar a perda de calor na face oposta ao aquecimento interferem com maior evidência se comparados à emissividade adotada.

Um terceiro fator que merece destaque é o fato de, na análise experimental, ser observado o descolamento da alvenaria do perfil de aço em dado momento. Esse descolamento interfere na transferência de calor por condução na região afetada e passa a atuar, então, uma transferência por radiação, além da perda de calor pela fresta entre as superfícies do interior do forno para o ambiente sem passar pelo modelo experimental.

Vale destacar que além dos aspectos mencionados anteriormente, podem existir outros fatores, muitas vezes de difícil determinação, que influenciam eventualmente na resposta do modelo experimental e, consequentemente, nas estratégias adotadas nos modelos numéricos

para estudo de estruturas em situação de incêndio. O objetivo de ambos, porém, sempre será de encontrar formas mais precisas e confiáveis de predizer o comportamento nessas situações.