Análise termomecânica de lajes nervuradas de concreto armado em situação de incêndio

Texto

(1)Marcos Wiese. ANÁLISE TERMOMECÂNICA DE LAJES NERVURADAS DE CONCRETO ARMADO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO. Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil. Orientadora: Profa. Dra. Poliana Dias de Moraes.. Florianópolis 2018.

(2) Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC..

(3) Marcos Wiese. ANÁLISE TERMOMECÂNICA DE LAJES NERVURADAS DE CONCRETO ARMADO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Civil e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Florianópolis, 22 de fevereiro de 2018. ________________________ Prof. Glicério Trichês, Dr. Coordenador do Curso Banca Examinadora: ________________________ Prof.ª Poliana Dias de Moraes, Dr.ª Orientadora Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) ________________________ Prof. Armando Lopes Moreno Junior, Dr. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Examinador ________________________ Prof. Wellison José de Santana Gomes, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Examinador ________________________ Prof. Lourenço Panosso Perlin, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Examinador.

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(5) AGRADECIMENTOS À toda minha família, em especial aos meus pais, Guenter e Marlí Wiese, por todo apoio, incentivo e compreensão que não me deixaram desistir ao longo do árduo caminho. Desde a minha infância sempre dedicaram o seu melhor para a minha formação e educação. À minha irmã Tatiane Wiese Mathias pelo apoio, pelos conselhos e pelo incentivo à carreira acadêmica. A Deus, que guia meus passos. À Prof.ª Dr.ª Poliana Dias de Moraes, pela disponibilidade, dedicação e atenção na orientação e no desenvolvimento deste trabalho e ao decorrer de toda a pós-graduação. A todos os professores do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, em especial aos professores: PhD. Roberto Caldas de Andrade Pinto, Dr. Wellison José de Santana Gomes, Dr. Lourenço Panosso Perlin e Dr. Daniel Domingues Loriggio, cujos ensinamentos e considerações ao longo das disciplinas, do exame de qualificação e da defesa da dissertação foram essenciais ao desenvolvimento deste trabalho. Ao professor Dr. Armando Lopes Moreno Junior da Universidade Estadual de Campinas pela participação e importantes considerações durante a defesa desta dissertação. Aos funcionários do PPGEC da UFSC, sempre eficientes e prestativos. Aos professores Msc. Ralf Klein e Dr. Ademar Cordero que orientaram meus primeiros passos na carreira acadêmica ainda na graduação, bem como aos demais professores do curso de Engenharia Civil da Universidade Regional de Blumenau. Aos amigos, Auro Candido Marcolan Junior, Steffi Carqueja Klotz, Felipe Carraro, Marcela Alejandra Juliani, Matheus Silva Gonçalves, Ananda Cristina Pertile, Fabio Caon de Souza, Paulo Henrique Staciarini e demais colegas com quem compartilhamos as dificuldades e as alegrias ao longo da pós-graduação. Ao Eng. Sérgio Roberto Thieme Silva pelas oportunidades, ensinamentos e exemplo profissional. Pela compreensão ao longo do período que estive afastado das atividades laborais bem como pelo interesse e incentivo aos estudos. Agradecimentos também a toda a equipe da Engecálculo Projetos Estruturais LTDA. À CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior pelo suporte financeiro essencial ao desenvolvimento deste trabalho e ao aprimoramento pessoal e profissional..

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(7) RESUMO Em situação de incêndio, as lajes devem ser verificadas para assegurar a resistência estrutural e, na maioria dos casos, a função cortafogo. O objetivo deste trabalho é determinar a resistência ao fogo de lajes nervuradas de concreto por meio de análise termomecânica. Foram estudadas cinco lajes com dois tipos de preenchimento: poliestireno expandido (EPS) ou blocos cerâmicos. Foram verificados o isolamento térmico e a resistência à flexão das lajes sob a ação térmica segundo a curva de incêndio padrão ISO 834 (1999). Os campos de temperaturas das seções transversais foram obtidos pelo método dos elementos finitos em análise bidimensional transiente, aplicado à resolução do problema de transferência de calor, utilizando o software ANSYS v15.0.7 (2014). Os momentos fletores resistentes foram determinados por meio de rotinas programadas em MATLAB R2015a, considerando a redução da resistência do aço e do concreto em função da temperatura. A capacidade de carga da laje, considerando a redistribuição de esforços no regime plástico, foi determinada pelo método das charneiras plásticas. Os resultados foram comparados com os métodos simplificados da isoterma de 500 oC e método das faixas e com os métodos tabulares da NBR 15200 (2012) / EN 1992-1-2 (2004) e da BS 8110-2 (1985). O estudo permitiu concluir que as lajes com preenchimento entre nervuras de blocos cerâmicos sofrem menor degradação da resistência mecânica e apresentam maior isolamento térmico do que as lajes com preenchimento de blocos de EPS. Os carregamentos de ruína em situação de incêndio determinados pelo método das charneiras plásticas indicaram, conforme esperado, que as lajes hiperestáticas possuem maior capacidade de redistribuir esforços que as lajes simplesmente apoiadas. Os resultados indicaram também que o método tabular da NBR 15200 (2012) representou bem os casos de lajes com preenchimento de EPS entre nervuras. Para lajes com preenchimento de blocos cerâmicos o mesmo método se mostrou conservador e a análise numérica permite a utilização mais racional dos materiais de construção. Foram ainda estudados a influência da largura da nervura e do cobrimento das armaduras na resistência à flexão em situação de incêndio. O aumento do cobrimento se mostrou mais eficaz para melhoria da resistência à flexão positiva em situação de incêndio, porém com redução na resistência à flexão negativa. Palavras chave: lajes nervuradas, concreto armado, incêndio, método dos elementos finitos, análise térmica, análise estrutural..

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(9) ABSTRACT In a fire situation, the slabs must be checked in order to secure the structural resistance and in the majority of cases, the fire barrier. The objective of this paper is to determine the fire resistance of concrete ribbed/waffle slabs by means of thermomechanical analysis. Five slabs were studied containing two types of filling: expanded polystyrene (EPS) and clay bricks. The thermic isolation and the resistance to the bending of the slabs were studied. The slabs were submitted to the thermic action of the standard fire curve ISO 834 (1999). The crosssection temperature fields were obtained through the finite element method in transient two-dimensional analysis, applied to the resolution of the problem of heat transferring, using the software ANSYS v15.0.7 (2014). The resistant bending moments were determined by means of programmed routines in MATLAB R2015a, considering the steel and concrete resistance reduction in function of the temperature. The load capacity of the slab, considering redistribution of moments in plastic regime was determined by the yield line method. The results are compared to the simplified 500 oC isotherm method and to the zone method, along with the tabular methods of NBR 15200 (2012) / EN 1992-1-2 (2004), and BS 8110-2 (1985). The study concluded that the slabs with clay brick filling between the ribs suffer less degradation of mechanical resistance and they show more thermic isolation than the slabs filled with EPS blocks. The loads of ruin in fire situation, determined by the yield line method indicated that, as expected, the hyperstatic slabs have higher capacity of redistributing moments than the slabs simply supported. The results have also indicated that the NBR 15200 (2012) tabular method has well represented the cases of slabs with EPS filling between the ribs. As forthe slabs with the clay brick filling, the same method has shown to be conservative and the numerical analysis shows a more rational use of the building materials. The influence of the width of the rib was also studied, as well as covering of the reinforcements in resistance to the bending in a fire situation. The amount of covering has shown to be more effective in improving resistance to the positive bending moment in a fire situation, however, reducing resistance to the negative bending moment. Keywords: ribbed slabs, reinforced concrete, fire, finite element method, thermal analysis, structural analysis..

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(11) LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Edifício Joelma - a) Durante o incêndio b) Atualmente. .... 24 Figura 1.2: Edifício da CESP após incêndio. ........................................ 24 Figura 2.1: Curva temperatura × tempo de um incêndio real. ............... 30 Figura 2.2: Curvas temperatura × tempo de incêndios “normalizados”.32 Figura 2.3: Processos físico-químicos no aquecimento do concreto. .... 40 Figura 2.4: Condutividade térmica das rochas. ..................................... 42 Figura 2.5: Condutividade térmica do concreto. ................................... 44 Figura 2.6: Calor específico do concreto............................................... 46 Figura 2.7: Massa específica do concreto segundo a temperatura. ....... 48 Figura 2.8: Redução da resistência do concreto em função da temperatura. ........................................................................................... 50 Figura 2.9: Diagramas tensão × deformação para o concreto aquecido.52 Figura 2.10: Redução da resistência do aço em função da temperatura.54 Figura 2.11:Diagramas tensão × deformação para o aço aquecido. ...... 58 Figura 2.12: Lascamentos em laje nervurada. ....................................... 61 Figura 2.13: Elemento submetido à deformação térmica. ..................... 63 Figura 2.14: Elemento sob deformação mecânica. ................................ 64 Figura 2.15: Vinculação semirrígida de elemento estrutural. ................ 64 Figura 2.16: Laje com dilatação axial restringida. ................................ 65 Figura 2.17: Mecanismos de ruptura de elementos unidirecionais. ...... 68 Figura 2.18: Plastificação em laje de concreto armado. ........................ 69 Figura 2.19: Ação de membrana em laje. .............................................. 70 Figura 2.20: Comportamento de lajes armadas em duas direções. ........ 70 Figura 2.21: Isotermas de seção 8 cm × 15 cm. .................................... 72 Figura 2.22: Mecanismos de convecção e radiação durante o incêndio.76 Figura 2.23: Método das cordas cruzadas. ............................................ 79 Figura 2.24: Características geométricas da nervura. ............................ 82 Figura 2.25: Tipos de lajes nervuradas. ................................................. 84 Figura 2.26: Elemento infinitesimal de placa. ....................................... 90 Figura 2.27: Redução da seção transversal pelo método das faixas. ..... 93 Figura 2.28: Momento × curvatura de material rígido plástico. ............ 96 Figura 2.29: Momento em linha de plastificação diagonal. .................. 96 Figura 2.30: Configuração de charneiras plásticas. ............................... 97 Figura 2.31: Deslocamento vertical e rotações das charneiras. ............. 98 Figura 2.32: Ângulo de rotação nas charneiras diagonais. .................... 99 Figura 3.1: Variação das propriedades térmicas da cerâmica. ............ 103 Figura 3.2: Elemento PLANE 55. ....................................................... 104 Figura 3.3: Elemento SURF 151. ........................................................ 105 Figura 3.4: Discretização de uma seção transversal. ........................... 108.

(12) Figura 3.5: Esquema para determinação do TRF. ............................... 111 Figura 4.1: Seção transversal para estudo da malha............................ 113 Figura 4.2: Temperaturas ao longo da seção transversal. ................... 114 Figura 4.3: Erro da solução numérica em relação a solução analítica. 115 Figura 4.4: Incremento de tempo [s] segundo a dimensão do elemento finito. ................................................................................................... 116 Figura 4.5: Isotermas em seção retangular 8 cm × 15 cm - 30 min. ... 117 Figura 4.6:Isotermas em seção retangular 16 cm × 30 cm - 30 min. .. 117 Figura 4.7: Isotermas em seção retangular 16 cm × 30 cm - 60 min. . 118 Figura 4.8: Isotermas de laje mista nervurada -120 min. .................... 118 Figura 4.9: Seção transversal da laje ensaiada. ................................... 120 Figura 4.10: Temperaturas na armadura longitudinal (+). .................. 121 Figura 4.11: Temperaturas na armadura longitudinal (-). ................... 121 Figura 4.12: Planta de formas da laje 1. .............................................. 123 Figura 4.13: Armaduras da laje 1. ....................................................... 124 Figura 4.14: Campo de temperatura [oC] na seção transversal da L1. 125 Figura 4.15: Média e máxima temperaturas na face superior da L1. .. 125 Figura 4.16: Esforços em situação de incêndio na L1......................... 126 Figura 4.17: Esforços em situação de incêndio na L1......................... 127 Figura 4.18: Cargas na L1 em situação de incêndio. .......................... 128 Figura 4.19: Armaduras da laje 2. ....................................................... 130 Figura 4.20: Esforços em situação de incêndio na L2......................... 131 Figura 4.21: Esforços em situação de incêndio na L2......................... 133 Figura 4.22: Cargas na L2 em situação de incêndio. .......................... 133 Figura 4.23: Planta de formas da laje 3. .............................................. 135 Figura 4.24: Armaduras da laje 3. ....................................................... 135 Figura 4.25: Campo de temperatura [oC] na seção transversal da L3. 136 Figura 4.26: Média e Máxima temperaturas na face superior da L3. .. 137 Figura 4.27: Esforços em situação de incêndio na L3......................... 138 Figura 4.28: Cargas na L3 em situação de incêndio. .......................... 139 Figura 4.29: Armaduras da laje 4. ....................................................... 140 Figura 4.30: Esforços em situação de incêndio na L4......................... 141 Figura 4.31: Cargas na L4 em situação de incêndio. .......................... 143 Figura 4.32: Planta de formas da laje 5. .............................................. 145 Figura 4.33: Armaduras da laje 5. ....................................................... 145 Figura 4.34: Campo de temperatura na seção transversal da L5. ........ 146 Figura 4.35: Média e Máxima temperaturas na face superior da L5. .. 146 Figura 4.36: Esforços em situação de incêndio na L5......................... 147 Figura 4.37: Cargas na L5 em situação de incêndio. .......................... 148 Figura 4.38: Momento fletor resistente [kN.m/nerv] na L2. ............... 152 Figura 4.39: Momento fletor resistente [kN.m/nerv] na L4. ............... 152.

(13) Figura 4.40: Momento fletor resistente [kN.m/nerv] na L2. ............... 154 Figura 4.41: Momento fletor resistente [kN.m/nerv] na L4. ............... 155.

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(15) LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Tempo Requerido de Resistência ao Fogo [min]. .............. 34 Tabela 2.2: Fator de correção kb. ........................................................... 35 Tabela 2.3: Coeficiente δq1................................................................... 36 Tabela 2.4: Coeficiente δq2................................................................... 36 Tabela 2.5: Coeficientes δn. .................................................................. 36 Tabela 2.6: Valores de γn1, γn2 e γn3. ...................................................... 38 Tabela 2.7: Valores de γs2. ..................................................................... 38 Tabela 2.8: Condutividade térmica dos constituintes do concreto. ....... 42 Tabela 2.9: Calor específico do concreto segundo o teor de umidade. . 46 Tabela 2.10: Deformação específica do concreto na máxima tensão de compressão. ........................................................................................... 51 Tabela 2.11: Fatores de redução do módulo de elasticidade para o aço em função da temperatura. .................................................................... 55 Tabela 2.12: Fatores de redução do limite de proporcionalidade para o aço em função da temperatura. .............................................................. 57 Tabela 2.13: Coeficiente c2 segundo o tipo de concreto........................ 75 Tabela 2.14: Dimensões mínimas para lajes nervuradas simplesmente apoiadas. ................................................................................................ 82 Tabela 2.15: Dimensões mínimas para lajes nervuradas contínuas....... 83 Tabela 2.16: Dimensões mínimas para lajes nervuradas armadas em uma só direção. ............................................................................................. 83 Tabela 2.17: Dimensões mínimas para lajes - fundo exposto ao fogo. . 84 Tabela 2.18: Dimensões mínimas para lajes - nervura exposta ao fogo. ............................................................................................................... 85 Tabela 2.19: Coeficientes de ponderação das ações para combinações excepcionais. ......................................................................................... 87 Tabela 2.20: Fatores de redução das ações para combinações excepcionais. ......................................................................................... 87 Tabela 4.1: Esforços solicitantes da laje 1........................................... 124 Tabela 4.2: Esforços resistentes da L1 [kN.m/nerv]. .......................... 127 Tabela 4.3: Tempo de resistência ao fogo da L1. ................................ 129 Tabela 4.4: Esforços solicitantes da L2. .............................................. 129 Tabela 4.5: Momentos fletores resistentes positivos por nervura em situação de incêndio na L2 [kN.m/nerv]. ............................................ 131 Tabela 4.6: Momentos fletores resistentes negativos por nervura em situação de incêndio na L2 [kN.m/nerv]. ............................................ 132 Tabela 4.7: Tempo de resistência ao fogo da L2. ................................ 134 Tabela 4.8: Esforços solicitantes da laje L3. ....................................... 136.

(16) Tabela 4.9: Momentos fletores resistentes positivos por nervura em situação de incêndio na L3 [kN.m/nerv]. ............................................ 138 Tabela 4.10: Tempo de resistência ao fogo da L3............................... 139 Tabela 4.11: Esforços solicitantes da L4............................................. 141 Tabela 4.12: Momentos fletores resistentes positivos por nervura em situação de incêndio na L4 [kN.m/nerv]. ............................................ 142 Tabela 4.13: Momentos fletores resistentes negativos por nervura em situação de incêndio na L4 [kN.m/nerv]. ............................................ 142 Tabela 4.14: Tempo de resistência ao fogo da L4............................... 144 Tabela 4.15: Esforços solicitantes da L5............................................. 145 Tabela 4.16: Momentos fletores positivos resisntentes por nervura em situação de incêndio na L5 [kN.m/nerv]. ............................................ 147 Tabela 4.17: Tempo de resistência ao fogo da L5............................... 149 Tabela 4.18: Isolamento térmico das lajes. ......................................... 149 Tabela 4.19: Desempenho estrutural das lajes nervuradas em situação de incêndio. .............................................................................................. 150 Tabela 4.20: Tempo de resistência ao fogo das lajes. ......................... 151 Tabela 4.21: Acréscimo no valor do momento fletor [%]. .................. 153 Tabela 4.22: Acréscimo no valor do momento fletor [%]. .................. 156.

(17) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ACI – American Concrete Institute APDL – ANSYS Parametric Design Language ASTM – American Society for Testing and Materials BS – British Standard CESP – Companhia Energética de São Paulo ELS – Estado limite de serviço ELU – Estado Limite último EN – Norme Européenne (European Standard) EPS – Poliestireno Expandido FIB – Fédération internationale du béton ISO – International Organization for Standardization MEF – Método dos elementos finitos NBR – Norma Brasileira TRF – Tempo de resistência ao fogo TRRF – Tempo requerido de resistência ao fogo.

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(19) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................... 23 1.1 OBJETIVOS.............................................................................. 27 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO ................................................. 27 2 REVISÃO DE LITERATURA ............................................... 29 2.1 O INCÊNDIO ............................................................................ 29 2.1.1 Ação térmica - modelos de incêndio ......................................... 31 2.1.1.1 Curvas de Incêndio Padrão ........................................................ 31 2.1.2 Tempo requerido de resistência ao fogo e tempo equivalente ... 33 2.2 PROPRIEDADES DO CONCRETO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA ................................................................................. 38 2.2.1 Efeito do aquecimento no concreto ........................................... 39 2.2.2 Propriedades térmicas do concreto ............................................ 41 2.2.2.1 Condutividade Térmica ............................................................. 41 2.2.2.2 Calor Específico ........................................................................ 44 2.2.2.3 Massa específica ........................................................................ 47 2.2.3 Propriedades mecânicas do concreto em temperaturas elevadas49 2.2.3.1 Redução da resistência à compressão do concreto .................... 49 2.2.3.2 Diagrama tensão × deformação do concreto ............................. 50 2.3 PROPRIEDADES DO AÇO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA ................................................................................. 53 2.3.1.1 Redução da resistência à tração e à compressão do aço de armadura passiva ................................................................................... 53 2.3.1.2 Redução do módulo de elasticidade do aço de armadura passiva ....................................................................................................54 2.3.1.3 Diagrama tensão × deformação do aço de armadura passiva .... 55 2.4 LAJES NERVURADAS ........................................................... 58 2.4.1 Comportamento das lajes nervuradas em situação de incêndio. 59 2.4.1.1 Compartimentação..................................................................... 60 2.4.1.2 Lascamento (Spalling) ............................................................... 60 2.4.1.3 Deformações em situação de incêndio ...................................... 62 2.4.1.4 Mecanismos de falha em situação de incêndio .......................... 66 2.4.1.5 Teoremas de análise limite ........................................................ 71 2.5 ANÁLISE TÉRMICA ............................................................... 72 2.5.1 Método de Wickström ............................................................... 73 2.5.2 Método de Kodur....................................................................... 74 2.5.3 Princípios de transferência de calor ........................................... 76 2.5.4 Método dos elementos finitos .................................................... 79 2.6 ANÁLISE ESTRUTURAL EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO 81 2.6.1 Método prescritivo (tabular) ...................................................... 81.

(20) 2.6.1.1 Método tabular da NBR 15200 (2012) e EN 1992-1-2 (2004) . 82 2.6.1.2 Método tabular da BS 8110-2 (1985)........................................ 83 2.6.2 Ações mecânicas e suas combinações....................................... 85 2.6.3 Métodos simplificados .............................................................. 88 2.6.3.1 Esforços solicitantes em situação de incêndio .......................... 88 2.6.3.2 Esforços resistentes em situação de incêndio ............................ 91 2.6.4 Método das charneiras plásticas ................................................ 95 3 MODELAGEM NUMÉRICA DE LAJES NERVURADAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO .................................................... 101 3.1 FENÔMENO FÍSICO ASSOCIADO À LAJE NERVURADA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ....................................................... 101 3.2 ANÁLISE TÉRMICA ............................................................. 102 3.2.1 Ação térmica ........................................................................... 102 3.2.2 Propriedades térmicas dos materiais ....................................... 103 3.2.3 Método dos elementos finitos ................................................. 104 3.2.3.1 Elementos finitos e condições de contorno ............................. 104 3.2.3.2 Análise transiente .................................................................... 105 3.2.3.3 Não linearidade térmica .......................................................... 105 3.3 ANÁLISE ESTRUTURAL..................................................... 106 3.3.1 Ações e esforços solicitantes ................................................... 106 3.3.2 Esforços resistentes ................................................................. 107 3.3.3 Tempo de resistência ao fogo .................................................. 110 3.3.4 Capacidade de carga................................................................ 112 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................ 113 4.1 VALIDAÇÃO DO MODELO ................................................ 113 4.1.1 Estudo da malha ...................................................................... 113 4.1.2 Estudo do incremento de tempo .............................................. 115 4.1.3 Campo de temperaturas da seção transversal .......................... 116 4.1.4 Momento fletor resistente ....................................................... 119 4.2 ANÁLISE TÉRMICA DA SEÇÃO TRANSVERSAL .......... 119 4.3 ANÁLISE DE LAJES NERVURADAS DE CONCRETO ARMADO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO .................................... 122 4.3.1 Laje 1....................................................................................... 123 4.3.1.1 Isolamento térmico .................................................................. 125 4.3.1.2 Esforços resistentes das seções transversais ............................ 126 4.3.1.3 Capacidade de carga em situação de incêndio ........................ 128 4.3.1.4 Tempo de resistência ao fogo .................................................. 129 4.3.2 Laje 2....................................................................................... 129 4.3.2.1 Esforços resistentes das seções transversais ............................ 130 4.3.2.2 Capacidade de carga em situação de incêndio ........................ 133 4.3.2.3 Tempo de resistência ao fogo .................................................. 134.

(21) 4.3.3 Laje 3 ....................................................................................... 134 4.3.3.1 Isolamento térmico .................................................................. 137 4.3.3.2 Esforços resistentes das seções transversais ............................ 137 4.3.3.3 Capacidade de carga em situação de incêndio......................... 139 4.3.3.4 Tempo de resistência ao fogo .................................................. 139 4.3.4 Laje 4 ....................................................................................... 140 4.3.4.1 Esforços resistentes das seções transversais ............................ 141 4.3.4.2 Capacidade de carga em situação de incêndio......................... 143 4.3.4.3 Tempo de resistência ao fogo .................................................. 144 4.3.5 Laje 5 ....................................................................................... 144 4.3.5.1 Isolamento térmico .................................................................. 146 4.3.5.2 Esforços resistentes das seções transversais ............................ 147 4.3.5.3 Capacidade de carga em situação de incêndio......................... 148 4.3.5.4 Tempo de resistência ao fogo .................................................. 148 4.4 DISCUSSÕES COMPLEMENTARES .................................. 149 4.5 ANÁLISE ESTRUTURAL PARAMÉTRICA ....................... 151 4.5.1 Influência da largura da nervura .............................................. 151 4.5.2 Influência do cobrimento das armaduras ................................. 154 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................ 157 5.1 CONCLUSÕES ....................................................................... 157 5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................... 159 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................ 161 APÊNDICE A .................................................................................... 171 APÊNDICE B .................................................................................... 175 APÊNDICE C .................................................................................... 177 APÊNDICE D .................................................................................... 183.

(22)

(23) 23. 1. INTRODUÇÃO. O projeto de estruturas em situação de incêndio visa à proteção da vida e do patrimônio, permitindo com segurança a desocupação do edifício na ocorrência de sinistro, o resgate de vítimas, o combate ao fogo e evitando a propagação do incêndio às edificações vizinhas. As estruturas de concreto armado são bastante conhecidas por apresentarem bom desempenho em situação de incêndio. Muitas estruturas de concreto que sofreram incêndios severos voltaram a ser utilizadas após reparos. Isto é possível devido à proteção da armadura pelo concreto que a envolve (o concreto é um material não combustível e de baixa condutividade térmica) e à capacidade das estruturas de concreto armado de redistribuir esforços (desde que projetadas com suficiente ductilidade). Contudo, tanto o concreto quanto o aço, quando expostos a altas temperaturas, sofrem alterações nas suas propriedades físicas que degradam sua resistência mecânica. Durante o incêndio, podem ocorrer ainda solicitações adicionais na estrutura causadas por alongamentos axiais restringidos ou gradientes térmicos. Também podem ocorrer lascamentos na superfície do concreto reduzindo a seção transversal e expondo as armaduras diretamente ao fogo. Embora desastres ocasionados pela falha de estruturas de concreto armado em situação de incêndio sejam raros, há casos registrados de sua ocorrência (WADE, 1991; BUCHANAN, 2005) sendo necessários estudos específicos para garantir a segurança estrutural. Entre os incêndios ocorridos em estruturas de concreto armado no Brasil vale destacar os ocorridos no Edifício Joelma e nos Edifícios da CESP (Companhia Energética de São Paulo). O incêndio ocorrido no Edifício Joelma em 1974 (Figura 1.1-a) foi uma tragédia de grande repercussão com cerca de 180 vítimas fatais. Apesar de ser um incêndio de grandes proporções, o edifício com estrutura em concreto armado pôde ser recuperado e se encontra em utilização até os dias atuais (Figura 1.1-b). Em 1987 um incêndio de grandes proporções se desenvolveu nos edifícios da CESP. O fogo atingiu os dois edifícios da companhia, sendo que parte de um deles desabou durante o incêndio, e o restante foi implodido dias depois. O edifício da CESP era estruturado por pórticos e lajes nervuradas de concreto armado. A ocorrência de tragédias de grande repercussão como estas mobilizou diversos setores da sociedade e conduziu à melhoria nas condições de proteção e combate ao incêndio nas edificações..

(24) 24. Figura 1.1: Edifício Joelma - a) Durante o incêndio b) Atualmente.. Fonte: a) Molberg (1974); b) Canato (2014). Figura 1.2: Edifício da CESP após incêndio.. Fonte: Lúcio (1987).. As lajes exercem diversas funções nas estruturas de concreto armado. Suportam e transferem para as vigas e para os pilares cargas permanentes e acidentais dos pavimentos. Podem atuar como travamento entre lances de pilares, reduzindo o comprimento de flambagem. São capazes de atuar como diafragmas, distribuindo as forças horizontais entre os elementos verticais da estrutura. Ressalta-se ainda que as lajes desempenham papel fundamental na proteção passiva da edificação contra incêndio, por serem o principal elemento de compartimentação vertical, evitando a propagação do fogo para outros compartimentos..

(25) 25. Uma das principais dificuldades encontradas pelos projetistas estruturais para garantir a segurança das estruturas em situação de incêndio está no uso das lajes nervuradas projetadas segundo o método tabular da NBR 15200 (2012)1. O método tabular é o único método detalhado na norma NBR 15200 (2012) e consiste na adoção de parâmetros geométricos mínimos, tabelados de acordo com o tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) e as condições de apoio. A escolha da seção transversal das lajes no projeto de estruturas é influenciada por diversos fatores como: o uso da edificação, a resistência do concreto à compressão, o material de enchimento, os vãos e as cargas, havendo portanto uma grande variabilidade nos parâmetros geométricos usualmente empregados. Assim, o método tabular se torna muito limitado, pois reduz as soluções estruturais possíveis a poucos valores tabelados. O material de enchimento utilizado entre as nervuras influencia significativamente o campo de temperaturas que se desenvolverá na seção transversal. Lajes executadas com formas plásticas reutilizáveis e lajes confeccionadas com EPS, que se extingue rapidamente quando aquecido, são expostas diretamente ao fogo em todo o perímetro da superfície inferior da laje (face inferior da capa e da nervura e nas faces laterais da nervura). Lajes cujo enchimento adotado seja de material incombustível, como blocos cerâmicos ou de concreto celular, estarão expostas diretamente ao fogo apenas na face inferior da nervura (a face inferior da capa e as faces laterais da nervura são aquecidas por condução no contato com o material de enchimento). Essas questões evidenciam a necessidade de estudos mais profundos sobre o comportamento de lajes nervuradas em situação de incêndio, a fim de se desenvolver um projeto mais racional desse elemento estrutural. Para tal, o problema que se deseja resolver consiste em determinar a resistência ao fogo de lajes nervuradas de concreto armado em situação de incêndio. O fenômeno físico que ocorre no caso em estudo pode ser descrito: durante o incêndio, a exposição ao fogo provoca o aquecimento do interior do elemento estrutural e sob temperaturas elevadas, ocorrem alterações físicas e químicas no concreto e no aço que degradam a resistência mecânica destes materiais. Este problema pode ser modelado numericamente adotando-se um modelo de incêndio, um modelo térmico e um modelo estrutural. O incêndio pode ser modelado utilizando-se uma curva de incêndio que descreve a temperatura dos gases em função do tempo de exposição ao 1. NBR 15200 (2012): Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio..

(26) 26. fogo. Entre as curvas de incêndio mais empregadas pode-se citar a curva de incêndio padrão ISO 834 (1999) e ASTM E119 (2000), a curva de incêndio natural parametrizadas do EN 1991-1-2 (2002) e ainda modelos mais elaborados de incêndio como os modelos de zona e os modelos baseados em fluidodinâmica computacional. É necessário adotar ainda um modelo térmico que permita, a partir dos princípios de transferência de calor, encontrar o campo de temperaturas da seção transversal e um modelo estrutural que permita determinar a resistência do elemento estrutural considerando as propriedades mecânicas dos materiais reduzidas pelo aquecimento. Dada a complexidade do problema físico, uma solução matemática analítica (exata) poucas vezes é viável ou mesmo possível, sendo necessário então empregar métodos numéricos aproximados como o método dos elementos finitos (BATHÉ, 2006). Entre os estudos encontrados na literatura sobre lajes nervuradas de concreto armado em situação de incêndio, convém destacar os desenvolvidos por Lawson (1985), Costa e Silva (2007) e Min et al (2012). Lawson (1985) realizou ensaios de resistência ao fogo com lajes nervuradas moldadas in loco com formas industrializadas, por meio dos quais constatou que os critérios de dimensionamento BS 81102 (1985) se mostraram satisfatórios e medidas adicionais para evitar a ocorrência de lascamentos são desncessárias. Costa, Braga Jr e Silva (2007) realizaram estudos sobre a influência da geometria das nervuras no isolamento térmico das lajes nervuradas. Os estudos demonstraram que as dimensões e espaçamento usualmente adotados para as nervuras não influenciam significativamente no isolamento térmico das lajes. Costa e Silva (2007) desenvolveram ainda um método gráfico para dimensionamento de lajes nervuras em situação de incêndio. O método consiste em um conjunto de ábacos que relacionam o tempo de resistência ao fogo à razão entre a solicitação em situação de incêndio e a resistência em situação normal. Min et al (2012) analisaram lajes nervuradas, pré-moldadas, protendidas, em situação de incêndio por métodos avançados. Os resultados das análises numéricas foram coerentes com o método tabular do EN 1992-1-2 (2004). Verifica-se haver ainda um amplo campo de estudos que podem ser desenvolvidos a respeito de lajes nervuradas em situação de incêndio..

(27) 27. 1.1. OBJETIVOS. O objetivo geral desta dissertação é avaliar o desempenho térmico e mecânico de lajes nervuradas de concreto armado em situação de incêndio. Especificamente, deseja-se: a) avaliar a influência da variabilidade da condutividade térmica, do calor específico e da massa específica do concreto em função da temperatura no campo de temperaturas da seção transversal de lajes nervuradas; b) desenvolver uma ferramenta computacional para a determinação do momento fletor resistente de seções transversais de lajes nervuradas com preenchimento entre nervuras de blocos cerâmicos ou de blocos de EPS; c) verificar a resistência ao fogo de lajes nervuradas de concreto armado, segundo os critérios de isolamento térmico e resistência à flexão, por meio da ferramenta computacional desenvolvida e dos métodos simplificados propostos pelo EN 1992-1-2 (2004) e comparar os resultados com as prescrições de alguns métodos tabulares; d) determinar a capacidade de carga das lajes nervuradas em situação de incêndio pelo método das charneiras plásticas; e) avaliar a influência da largura da nervura e do cobrimento das armaduras no valor do momento fletor resistente da seção transversal desse elemento estrutural. 1.2. ORGANIZAÇÃO DO TEXTO. Neste capítulo de Introdução, foram apresentadas a justificativa para a realização da pesquisa, o problema que será abordado, os objetivos e uma breve descrição dos capítulos que compoe o trabalho. No capítulo 2, Revisão de literatura, é apresentada a fundamentação teórica dos estudos desenvolvidos. São expostos conceitos e “discussões” sobre incêndio, os princípios de transferência de calor, as propriedades térmicas e mecânicas dos materiais, as ações e as suas combinações no estudo das estruturas em situação de incêndio, definições sobre comportamento em situação de incêndio das lajes nervuradas, métodos e procedimentos a serem adotados para realização de análise térmica e estrutural. No capítulo 3, Modelagem numérica de lajes nervuradas em situação de incêndio, são descritos os modelos térmico e mecânico adotados bem como os procedimentos adotados para realização das análises..

(28) 28. No capítulo 4, Resultados e discussões, são apresentados os resultados de estudos desenvolvidos neste trabalho. Foram desenvolvidos estudos sobre a influência da variabilidade das propriedades térmicas no campo de temperaturas na seção transversal de lajes nervuradas expostas ao fogo. São analisadas 5 lajes nervuradas de concreto em situação de incêndio segundo os métodos tabular, métodos simplificados (Isoterma de 500 oC e método das faixas), formulações mais refinadas e ainda análise da capacidade de carga em situação de incêndio pelo método das charneiras plásticas. No capítulo 5, Considerações finais, são expostas as conclusões obtidas pela análise dos resultados desta pesquisa e apresentadas sugestões para trabalhos futuros..

(29) 29. 2. REVISÃO DE LITERATURA. Nesta revisão de literatura, são apresentados conceitos fundamentais necessários para o desenvolvimento do trabalho tais como: as curvas de incêndio, os princípios de transferência de calor, as propriedades térmicas e mecânicas dos materiais, as ações e combinações a serem consideradas. Adicionalmente, apresentam-se os princípios que descrevem o comportamento em situação de incêndio das lajes nervuradas, além de métodos para dimensionamento à flexão em situação de incêndio (método tabular e métodos simplificados) bem como os procedimentos a serem adotados para realização de análise térmica e estrutural. 2.1. O INCÊNDIO. O fogo é definido como o processo de combustão associado à emissão de luz e calor. A combustão é a reação exotérmica da substância combustível com um oxidante, é comum apresentar chamas e fumaça ou ambos durante sua ocorrência. Quando este processo se alastra de forma descontrolada no tempo e no espaço, caracteriza-se o incêndio (ISO 8421-1, 1987; NBR 13860, 1997). Para a ocorrência do fogo é necessária a presença simultânea de quatro elementos: combustível, comburente, fonte de ignição e reação em cadeia. O combustível é o material que sofre queima, ou seja, substância a ser oxidada. O comburente é a substância que alimenta a combustão, ou seja, o oxidante. A fonte de ignição é responsável por fornecer o calor para que a mistura entre combustível e comburente entre em combustão. A reação em cadeira ocorre quando parte do calor liberado pela combustão é fonte de calor para ignição do combustível, mantendo o processo continuamente até que um dos fatores deixe de existir (NBR 13860, 1997; SEITO, 2008). Dentre os meios de proteção contra incêndio adotados na concepção dos edifícios está a sua divisão em compartimentos (compartimentação). O compartimento pode ser definido, segundo a NBR 15200 (2012), como sendo: "edificação ou parte dela, compreendendo um ou mais cômodos, espaços ou pavimentos, construídos para evitar a propagação do incêndio de dentro para fora dos seus limites (...)". É de interesse ao estudo de estruturas em situação de incêndio, compreender o incêndio que se desenvolverá em cada compartimento da edificação. Costuma-se representar um incêndio real.

(30) 30. compartimentado utilizando um gráfico que relaciona a temperatura dos gases do ambiente com o tempo de duração do incêndio (Figura 2.1). Figura 2.1: Curva temperatura × tempo de um incêndio real.. Pode-se distinguir a ocorrência de três fases durante o desenvolvimento de um incêndio: a fase de ignição, a fase de aquecimento e a fase de resfriamento. A primeira fase do incêndio é chamada de fase de ignição, na qual as temperaturas do compartimento começam a se elevar e o material combustível é gradativamente aquecido. Nesta fase, a combustão está localizada em pequenas áreas e a elevação da temperatura é lenta. As temperaturas em média ainda não são suficientemente elevadas para causar redução na resistência dos materiais da estrutura. Há, porém, risco para a vida humana, devido à asfixia por inalação de gases tóxicos. O incêndio, nesta fase, pode ser extinto por meios de proteção ativa, como extintores e chuveiros automáticos (PURKISS, 2007; LENNON 2011; SILVA 2012). Se o incêndio não for extinto na fase de ignição e houver no ambiente suficiente material combustível fornecimento de comburente, pode ocorrer o flashover ou inflamação generalizada. Neste instante, a superfície do material combustível de todo o ambiente entra em ignição, e o fogo se alastra pelo compartimento. O flashover define a transição da fase de ignição para a fase de aquecimento (PURKISS, 2007; LENNON 2011; SILVA 2012). Na fase de aquecimento, o incêndio é de.

(31) 31. grandes proporções e a combustão ocorre em todo o compartimento. A taxa de elevação da temperatura, nesta fase, é elevada e o valor máximo de temperatura dos gases do ambiente é atingido, podendo ultrapassar os 1000 oC. Há risco de colapso ou de perda de integridade dos elementos estruturais expostos ao fogo (PURKISS, 2007; LENNON 2011; SILVA 2012). Após o fogo consumir boa parte do material combustível (cerca de 70%), ocorre a diminuição da taxa de combustão e, consequentemente, a temperatura dos gases também se reduz durante a fase de resfriamento. É importante destacar que as maiores temperaturas no interior da seção transversal não ocorrem no ponto da máxima temperatura dos gases do compartimento. Esse pequeno atraso no resfriamento da estrutura ocorre devido à inércia térmica dos elementos estruturais (PURKISS, 2007; LENNON 2011; SILVA, 2012). 2.1.1 Ação térmica - modelos de incêndio Diante das dificuldades de se prever a relação temperatura × tempo de um incêndio real e da necessidade de conduzir em laboratório ensaios em fornos para o estudo do desempenho de diferentes materiais quando submetidos ao fogo, desenvolveram-se modelos de incêndios simplificados conhecidos como curvas de incêndio padrão, como a curva ISO 834 (1999) (BUCHANAN, 2005). Existem ainda curvas de incêndio parametrizadas, que consideram as características do compartimento para caracterização do incêndio (EN 1991-1-2, 2002). Há também modelos de incêndio mais precisos, como modelos baseados em fluidodinâmica computacional (computacional fluid dynamics CFD), ou que consideram zonas de temperaturas (zone model), possibilitando uma distribuição mais realística das temperaturas do compartimento durante o incêndio (SILVA, PANONNI e PINTO, 2008). 2.1.1.1. Curvas de Incêndio Padrão. As curvas de incêndio padrão foram desenvolvidas com base em incêndios reais e são modelos simplificados de incêndio. Nestes modelos, a evolução da temperatura dos gases em função do tempo obedece a uma lei teórica perfeitamente definida, utilizam como incógnita unicamente a variável tempo. A temperatura dos gases é considerada como uniforme em todo o volume do ambiente (LANDI, 1986; FIB, 2007)..

(32) 32. As principais curvas de incêndio padrão são: ISO 834 (1999), ASTM E119 (2000), incêndio exterior (EN 1991-1-2, 2002) e hidrocarbonetos (EN 1991-1-2, 2002). Estas curvas são utilizadas em ensaios, projetos e pesquisas. A curva ISO 834 (1999) é a mais utilizada e é adotada em diversas normas como a NBR 14432 (2000)1 e o EN 1991-1-2 (2002)2. Os ensaios e normas norte-americanos e canadenses se baseiam na curva ASTM E119 (2000). A curva de incêndio exterior (EN 1991-1-2, 2002) é recomendada para análise de elementos construtivos posicionados na face externa do compartimento, como em sacadas e elementos de fachada. A curva de hidrocarbonetos (EN 19911-2, 2002) deve ser utilizada quando a carga de incêndio possui potencial calorífico equivalente a materiais formados por hidrocarbonetos (derivados do petróleo). As diversas curvas normalizadas são apresentadas na Figura 2.2.. Temperatura [oC]. Figura 2.2: Curvas temperatura × tempo de incêndios “normalizados”. 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0. Curva ISO 834 (1999) Curva de incêndio Exterior Curva de hidrocarbonetos Curva ASTM E119 (2000). 0. 30. 60. 90. 120. 150. 180. Tempo [min] A curva de incêndio padrão ISO 834 (1999) é caracterizada por possuir apenas um ramo ascendente de temperatura. Ela é recomendada para situações em que a carga de incêndio possui potencial calorífico 1. NBR 14432 (2000): Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações. 2 Eurocode 1 (2002): Actions on structures - Part 1-2: General actions - Actions on structures exposed to fire..

(33) 33. equivalente ao de material celulósico e pode ser descrita pela Equação 2.1. = 20 + 345 log (8 + 1), (2.1) onde: θg = temperatura dos gases no ambiente em chamas [oC]; t = tempo em [min.]. Por ser um modelo simplificado de incêndio, quando utilizada na verificação de projetos, a curva de incêndio padrão apresenta algumas limitações: não leva em consideração a inércia térmica do compartimento; a carga de incêndio e o grau de ventilação; a mesma temperatura é considerada em todos os pontos do compartimento, independente de suas dimensões; as fases de ignição e de resfriamento de um incêndio real não são representadas (FIB, 2008). 2.1.2 Tempo requerido de resistência ao fogo e tempo equivalente Como nas curvas de incêndio padrão a temperatura se eleva continuamente, não é possível saber o ponto de temperatura máxima, nem a duração do incêndio. Quando estas curvas são utilizadas nas atividades de projeto, a gravidade do incêndio é então determinada associando-se a curva de incêndio padrão a tempos requeridos de resistência ao fogo (TRRF). Deste modo, o TRRF deve ser entendido como um parâmetro de projeto, que determina o tempo mínimo de resistência ao fogo necessário para um elemento construtivo quando exposto ao incêndio padrão. O TRRF não representa, portanto o tempo de duração do incêndio real, nem o tempo necessário para fuga dos usuários, tampouco o tempo de atuação para combate ao incêndio (NBR 14432, 2000; SILVA, 2012). Os tempos requeridos de resistência ao fogo para algumas classes de edificações segundo a norma NBR 14432 são apresentados na Tabela 2.1. Os valores entre parênteses correspondem a subsolos com área bruta menor ou igual a 500 m² e edificações acima do solo com área menor ou igual a 750 m². A norma EN 1991-1-2 (2002) determina que sejam utilizados valores definidos pela regulamentação específica local. Existem ainda métodos que procuram relacionar as curvas de incêndio padrão a curvas mais realistas. Nestes métodos determina-se um tempo equivalente de exposição ao incêndio padrão, que se considera que causaria o mesmo efeito de aquecimento na estrutura que a exposição à ação de uma curva de incêndio natural compartimentado..

(34) Altura da edificação. 60. 90. 90. 90. 90. 90. Comercial Varejista. Serviços profissionais pessoais e técnicos. Educacional e cultura física. Locais de reunião de Público. Serviços de saúde e institucionais. 60. 60. 60 (30). 60 (30). 60. 90. Serviços de Hospedagem. 60 (30). 90. 60. 60. 30. 60 (30). 60 (30). 60 (30). 30. Fonte: NBR 14432 (2000).. 30. 60 (30). 30. 30. 60 (30). 30. 30. 60. 60. 60. 60. 60. 60. 60. 90. 90. 90. 90. 90. 90. 90. 120. 120. 120. 120. 120. 120. 120. Classe S2 hs Classe S1 Classe P1 Classe P2 Classe P3 Classe P4 Classe P5 > 10 m hs ≤ 10 m h ≤ 6 m 6 m ≤ h ≤ 12 m 12 m ≤ h ≤ 23 m 23 m ≤ h ≤ 30 m h > 30 m. Residencial. Uso / Ocupação. Profundidade do subsolo. Tabela 2.1: Tempo Requerido de Resistência ao Fogo [min].. 34.

(35) 35. O EN 1991-1-2 (2002) recomenda o uso da Equação 2.2 para determinação do tempo equivalente. ∙ , (2.2) , = , ∙ onde: te,d = tempo equivalente de exposição ao incêndio padrão [min]; qf,d = carga de incêndio de cálculo em relação a área de piso [MJ/m²]; kb = fator de conversão, função de b (Tabela 2.2) [min.m²/MJ]; b = parâmetro das características físico-térmicas do compartimento [J/m2s1/2K]; Wf = fator de ventilação, determinado pela Equação 2.6; kc = fator de correção em função do material da seção transversal, para concreto armado kc =1. Tabela 2.2: Fator de correção kb.. b [J/m2s1/2K] b > 2500 720 ≤ b ≤ 2500 b < 720. kb [min.m²/MJ] 0,04 0,055 0,07. Fonte: EN 1991-1-2 (2002).. A carga de incêndio (ver APÊNDICE B) de cálculo em relação à superfície do compartimento, observados os limites 50 ≤ qt,d ≤ 1000 [MJ/m²], pode ser determinada pela Equação (2.3). ,. =. ,. ,. (2.3). onde: Af = área de piso do compartimento [m²]; qf,d = carga de incêndio de cálculo em relação à área de piso [MJ/m²] dada pela Equação (2.4). ,. =. ,. ∙. ∙. ∙. ∙. ,. (2.4) onde: qf,k = valor característico da carga de incêndio específica do compartimento por área de piso [MJ/m2]; m = fator de combustão, para materiais celulósicos m = 0,8; δq1 = coeficiente de risco de ativação devido ao tamanho do compartimento, conforme a Tabela 2.3; δq2 = coeficiente de risco de ativação devido a ocupação do compartimento, conforme a Tabela 2.4;.

(36) 36. δn = coeficiente que considera a existência de meios de proteção contra incêndio, obtido pela multiplicação dos fatores δni, (Tabela 2.5); Tabela 2.3: Coeficiente δq1.. Área de piso do compartimento [m2] 25 250 2500 5000 10000. Risco de ativação do incêndio δq1 1,10 1,50 1,90 2,00 2,13. Fonte: EN 1991-1-2 (2002). Tabela 2.4: Coeficiente δq2.. Ocupação Galeria de arte, museu, piscina. Escritórios, residências, hotéis. Fabricação de máquinas e motores. Laboratório químico, ateliê de arte. Fabricação de fogos de artifício e tintas.. Risco de ativação do incêndio δq2 0,78 1,00 1,22 1,44 1,66. Fonte: EN 1991-1-2 (2002). Tabela 2.5: Coeficientes δn.. Meios de supressão automática do fogo Chuveiros automáticos. Sim δn1 = 0,61 / Não δn1 = 1,0 Fornecimento de água independente. Sim δn2 = 0,87 / Não δn2 = 1,0 Meios de detecção automática Alarme acionado pelo calor. Sim δn3 = 0,87 / Não δn3 = 1,0 Alarme acionado pela fumaça. Sim δn4 = 0,73 / Não δn4 = 1,0 Alarme interligado ao corpo de Sim δn5 = 0,87 / Não δn5 = 1,0 bombeiros. Meios de supressão manual Brigada contra incêndio. Sim δn6 = 0,61 / Não δn6 = 1,0 Brigada contra incêndio fora do local. Sim δn7 = 0,78 / Não δn7 = 1,0 Rotas de fuga. Sim δn8 = 0,9 / Não δn8 = 1,5 Dispositivos de combate ao incêndio. Sim δn9 = 1,0 / Não δn9 = 1,5 Exaustor de fumaça. Sim δn10 = 1,0 / Não δn10 = 1,5 Fonte: Adaptado do EN 1991-1-2 (2002)..

(37) 37. O parâmetro b das características físico-térmicas do compartimento, observado o intervalo 100 ≤ b ≤ 2200 [J/m2s1/2K], é determinado pela Equação 2.5. = , (2.5) onde: ρ = massa específica do material da parede [kg/m³]; c = calor específico do material da parede [J/(kg.K)]; λ = condutividade térmica do material da parede [W/(m.K)]. O fator de ventilação Wf é determinado pela Equação 2.6. =. 6,0. ,. ∙ 0,62 +. 90 ∙ (0,4 − 1+ ∙. ). ,. ≥ 0,5,. (2.6). onde: H = altura do compartimento [m]; αv = Av / Af razão entre e área das aberturas verticais de fachada Av [m²] e a área de piso do compartimento Af [m²], devem ser observados os limites: 0,025 ≤ αv ≤ 0,25; αh = Av / Af razão entre e área das aberturas horizontais do teto do compartimento Ah [m²] e a área de piso do compartimento Af [m²]; bv = 12,5.(1+10αv - αv²) ≥ 10,0. A NBR 15200 (2012) recomenda o uso do método do tempo equivalente apenas como redutor para o TRRF. Se o tempo equivalente determinado pela Equação 2.7 for inferior ao TRRF definido pela NBR 14432 (2000) em mais de 30 min, então pode-se adotar como tempo requerido de resistência ao fogo o tempo indicado pela NBR 14432 (2000) reduzido em 30 min. O tempo equivalente determinado pela Equação 2.7 não deve ser adotado inferior a 15 min. = 0,07 ∙ , ∙ ∙ ∙ , (2.7) onde: te = tempo equivalente de exposição ao incêndio padrão[min]; qfi,k = valor característico da carga de incêndio específica do compartimento por área de piso [MJ/m²]; W = fator que considera a influência da ventilação e da altura do compartimento, definida pela Equação 2.8, devem ser respeitados os limites de 0,025 ≤ Av / Af ≤ 0,30; γn = fator de ponderação determinado por γn = γn1.γn2.γn3, fornecidos pela Tabela 2.6, na ausência de algum meio de proteção, adota-se γni = 1;.

(38) 38. γs = fator de ponderação determinado por γs = γs1. γs2. Sendo γs1 determinado pela Equação 2.9, devendo obedecer aos limites: 1 ≤ γs1 ≤ 3. O fator γs2 é determinado pela Tabela 2.7. 6 , (2.8) = ∙ 0,62 + 90 ∙ 0,4 − ≥ 0,5. Tabela 2.6: Valores de γn1, γn2 e γn3.. Chuveiros automáticos γn1 = 0,60. Brigada contra incêndio γn2 = 0,90. Detecção automática γn3 = 0,90. Fonte: NBR 15200 (2012).. =1+. × (ℎ + 3) . 10. (2.9). Tabela 2.7: Valores de γs2.. γs2. Risco. 0,85. Pequeno. 1,0. Normal. 1,2. Médio. 1,5. Alto. Uso / Ocupação Escola, Galeria de Arte, parque aquático, igreja museu. Biblioteca, cinema, correio, consultório médico, escritório, farmácia, frigorífico, hotel, livraria, hospital, laboratório fotográfico, indústria de papel, oficina elétrica ou mecânica, residência, restaurante, supermercado, teatro e depósitos. Montagem de automóveis, hangar, indústria mecânica. Laboratório químico, oficina de pintura de automóveis. Fonte: NBR 15200 (2012).. 2.2. PROPRIEDADES TEMPERATURA. DO. CONCRETO. EM. FUNÇÃO. DA. O efeito do aquecimento nos materiais de construção pode ser considerado levando em conta a variação de suas propriedades em função da temperatura. As propriedades dos materiais necessárias à análise de estruturas em situação de incêndio se dividem em propriedades térmicas e propriedades mecânicas. As propriedades térmicas são necessárias para determinação do campo de temperaturas no interior da seção transversal exposta ao fogo. As propriedades.

(39) 39. mecânicas são necessárias para determinação da capacidade resistente residual do elemento estrutural aquecido. A seguir são apresentados: um resumo dos fenômenos que ocorrem no concreto quando exposto ao fogo, as propriedades térmicas e as propriedades mecânicas do concreto em função da temperatura. 2.2.1 Efeito do aquecimento no concreto Em temperatura ambiente, a água está presente no concreto como umidade livre e capilar, além de água adsorvida. Durante o incêndio, a elevação da temperatura do concreto é retardada pela evaporação da água livre e capilar, que consome grande quantidade de calor. Essa evaporação se inicia aos 100 oC, a evaporação da água capilar se completa entre 200 oC e 300 oC. A evaporação da água causa a elevação da porosidade do concreto (LIMA et al., 2004; GUO e SHI, 2011). A pasta de cimento no concreto endurecido é constituída principalmente por silicato de cálcio hidratado, hidróxido de cálcio e sulfoaluminato de cálcio hidratado. Aos 100 oC inicia-se a desidratação do silicato de cálcio hidratado, este processo se intensifica aos 300 oC e finaliza aos 400 oC, com redução da água e formação de silicatos anidros e oxido de cálcio, causando considerável redução na resistência e aparecimento de fissuras no concreto. Entre 400 oC e 600 oC o hidróxido de cálcio se decompõe em óxido de cálcio e água, devido à desidratação e à carbonatação (causada pela grande quantidade de dióxido de carbono liberada durante o incêndio). Durante o resfriamento, o óxido de cálcio pode sofrer reidratação, formando novamente hidróxido de cálcio (LIMA et al., 2004; ALONSO e MUNICIO, 2007). Os agregados também sofrem alterações físico-químicas em sua microestrutura com o aquecimento, que podem ser significativamente diferentes conforme o tipo de agregado utilizado. O quartzo (predominante no agregado fino, e presente em agregados graúdos silicosos como granito, arenito, gnaisse etc.) sofre aos 573 oC, transformação cristalina da forma α para β. Aos 700 oC, as rochas carbonáticas como calcário e dolomita sofrem com a decomposição do carbonato de cálcio em óxido de cálcio e dióxido de carbono. O carbonato de magnésio também sofre decomposição entre 740 e 840 oC, com liberação de dióxido de carbono. Em ambos os casos, a reação é endotérmica e a liberação de dióxido de carbono absorve calor. Como ocupam cerca de 60% a 80% do volume do concreto, os agregados exercem importante influência nas propriedades do material. Há de se.

(40) 40. considerar ainda que os diferentes tipos dee agregados possuem coeficientes de dilatação diferentes e sua deformação térmica pode causar fissuração na pasta de cimento além de alterações na aderência entre eles (LIMA et al., 2004; FIB, 2007; GUO e SHI, 2011). Em temperaturas muito elevadas ocorrem m ainda mudanças de estado físico das rochas e da pasta de cimento. A fusão das rochas como o basalto ocorre em cerca de 1060 oC, o granito entre 1210 oC e 1260 o C, ou o quartzo em 1700 oC. A mudança de estado físico da pasta de cimento ocorre acima dos 1100 oC (FIB, 2007). A Figura 2.3 apresenta os principais processos causados pela elevação da temperatura do concreto endurecido. Figura 2.3: Processos físico-químicos no o aquecimento do concreto.. Fonte: Adaptado de Khoury (2007)..

(41) 41. 2.2.2 Propriedades térmicas do concreto Os componentes do concreto possuem diferentes composições químicas minerais, logo as propriedades térmicas de cada componente são diferentes. As propriedades térmicas do concreto são influenciadas principalmente pelo tipo de agregado e também por outros fatores como: dosagem, teor de umidade, porosidade, idade e condições de cura (GUO e SHI, 2011). Para determinação campo de temperaturas no interior do elemento estrutural exposto à ação do fogo, é necessário conhecer as propriedades térmicas do material: condutividade térmica, calor específico e massa específica. Valores de referência para estas propriedades podem ser encontrados na literatura. Os valores recomendados pela norma EN 1992-1-2 (2004) são resultado de estudos desenvolvidos a partir de ensaios e análises numéricas (SCHLEICH, 2005). Para valores mais precisos podem-se medir as propriedades térmicas de um concreto específico por meio de ensaios (WICKSTRÖM, 2016). 2.2.2.1. Condutividade Térmica. Condutividade térmica é um parâmetro do material que quantifica a sua capacidade de transmitir calor. O coeficiente de condutividade térmica é a propriedade do material que indica quantidade de calor transmitido por condução, através de uma área unitária, durante uma unidade de tempo, quando submetido a um incremento de temperatura unitário. Materiais de condutividade térmica mais elevada transmitem o calor mais rapidamente (BUCHANAN, 2005; GUO e SHI, 2011). O concreto é um material composto, logo a sua condutividade térmica depende da condutividade térmica dos diversos materiais que o compõem. A Tabela 2.8 apresenta os valores da condutividade térmica dos constituintes do concreto, em temperatura ambiente. Nota-se que há uma grande variabilidade nos valores da condutividade térmica dos agregados, pois depende do tipo de rocha do qual eles são originários. Nota-se também, que o coeficiente de condução de calor da água é muito maior do que o do ar (FIB, 2007)..

(42) 42. Tabela 2.8: Condutividade térmica dos constituintes do concreto.. Material Agregados Pasta de cimento endurecida e saturada Água Ar. Condutividade térmica [W/moC] 0,7 - 4,2 1,1 - 1,6 0,515 0,0034. Fonte: FIB (2007), apud Khoury (1983).. Condutividade Térmica λ [W/moC]. A dosagem do concreto é determinante na sua condutividade térmica. Como o coeficiente de condução de calor dos agregados costuma ser maior do que o da pasta de cimento, quanto maior a proporção de agregados, maior será a condutividade térmica do concreto. Um concreto cuja relação água/cimento for maior terá uma condutividade térmica menor, por possuir maior porosidade, visto que a condutividade térmica da água e do ar são menores do que a da pasta de cimento (FIB, 2007). O agregado graúdo compõe a maior parte do volume do concreto (geralmente entre 60% e 80%) e, portanto é o fator de maior influência na sua condutividade térmica. A condutividade térmica do agregado depende principalmente da composição mineralógica, caráter cristalino e estrutura dos grânulos. A Figura 2.4 apresenta os coeficientes de condução de calor de algumas rochas em função da temperatura. Notase que os valores de condutividade térmica em temperatura ambiente são bastante diferentes, no entanto as condutividades tendem a valores semelhantes com a elevação da temperatura (GUO e SHI, 2011). Figura 2.4: Condutividade térmica das rochas. Granito 1 Granito 2 Gnaisse Diabásio Calcário Quartzo (areia) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0. 50. 100. 150. 200. 250. Temperatura - θ [oC] Fonte: Adaptado de Guo e Shi (2011), apud Birch e Clark (1940).. 300.