PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO DE ENGENHARIA - CE
ENGENHARIA CIVIL
VICTOR JOSÉ GOMES DE OLIVEIRA
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO: ESTUDO DE CASO DE UM EDIFÍCIO
RESIDENCIAL MULTIFAMILIAR EM MOSSORÓ/RN
MOSSORÓ/RN 2019
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO: ESTUDO DE CASO DE UM EDIFÍCIO
RESIDENCIAL MULTIFAMILIAR EM MOSSORÓ/RN
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientadora: Profa. Lorena Graciane Duarte Neris
MOSSORÓ/RN 2019
ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.
O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.
GO48a Gomes de Oliveira, Victor José.
Análise do Comportamento das estruturas de concreto armado em situação de incêndio: estudo de caso de um edifício residencial multifamiliar em Mossoró/RN / Victor José Gomes de Oliveira. - 2019.
69 f. : il.
Orientadora: Lorena Graciane Duarte Neris. Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Civil, 2019.
1. Temperatura. 2. Resistência . 3. Fogo. 4. TRRF. 5. Colapso. I. Neris, Lorena Graciane Duarte , orient. II. Título.
As normas NBR 14432:2001 e NBR 15200:2012 são utilizadas para o dimensionamento das estruturas de concreto armado em situação de incêndio. Usualmente, as estruturas são dimensionadas apenas para situações de temperatura ambiente (em torno de 20°C) de acordo com as diretrizes da NBR 6118:2014. No entanto, devido as ocorrências de incêndios nas últimas décadas, aumentou-se a preocupação com relação a esse tema, criando assim, normas para auxiliar e guiar os projetos de estruturas em situação de incêndio. Com isso, o presente trabalho objetivou analisar a superestrutura de um edifício residencial multifamiliar, quanto a sua capacidade de resistir ao Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF), tempo este definido de acordo com as recomendações da NBR 14432:2001. Para a análise, foram utilizados o método tabular para as vigas e lajes e o método analítico para pilares fornecidos pela NBR 15200:2012. Os resultados demonstraram que, de todos os elementos estruturais analisados, apenas as lajes nervuradas treliçadas não atenderam aos requisitos mínimos impostos pelas normas utilizadas, ou seja, não atenderam ao TRRF necessário. No entanto, o uso de métodos avançados fornecidos pela norma Brasileira e pela norma Europeia, Eurocode 2 (2010), é possível realizar o mesmo estudo na estrutura, porém obtendo valores mais precisos do que o encontrado no presente trabalho, pois, o método tabular é bastante conservador em sua aplicação. De modo geral, conclui-se que a estrutura corre risco de entrar em colapso em uma eventual situação de incêndio, necessitando de adequações para colocar os moradores e os trabalhadores do edifício em segurança.
Figura 1 - Fases principais de um incêndio real ... 14
Figura 2 - Meios de proteção na curva de incêndio real ... 16
Figura 3 - Comportamento do elemento estrutural na curva de incêndio real ... 16
Figura 4 - Comparação entre a curva de incêndio real e a curva de incêndio padrão ... 17
Figura 5 - Comportamento do elemento estrutural na curva de incêndio padrão... 18
Figura 6 - Diagrama tensão-deformação do aço a temperaturas elevadas ... 33
Figura 7 - Distância entre o eixo da armadura longitudinal e a face do concreto exposta ao fogo (c1) em vigas a) e lajes b) ... 39
Figura 8 - Corte da estrutura ... 46
Figura 9 - Planta de fôrma térreo ... 48
Figura 10 - Planta de fôrma pavimento tipo ... 49
Figura 11 - Planta de fôrma cobertura ... 50
Figura 12 - Detalhamento da viga 101 ... 54
Figura 13 - Detalhamento da laje maciça ... 56
Figura 14 - Detalhamento da nervura principal (vigotas pré-moldadas) ... 58
Figura 15 - Indicação das nervuras secundárias no detalhamento das lajes nervuradas treliçadas ... 58
Figura 16 - Detalhamento do pilar P1 situado nos pavimentos da fundação, térreo e tipo ... 61
Tabela 1 - Coeficiente de redução da resistência à compressão do concreto, em função da
temperatura ... 25
Tabela 2 - Deformação específica do concreto em função da alta temperatura, NBR 15200 .. 28
Tabela 3 - Deformação específica do concreto em função da alta temperatura, Eurocode 2 ... 28
Tabela 4 - Valores dos coeficientes de redutores ks,θ, kE,θ e kp,θ para aços de armadura passiva em função da temperatura... 30
Tabela 5 - Tempos Requeridos de Resistência ao Fogo (TRRF), em minutos ... 35
Tabela 6 - Fatores de ponderação das medidas de segurança contra incêndio ... 36
Tabela 7 - Valores de γs2 em função do risco de ativação do incêndio (r) ... 37
Tabela 8 - Dimensões mínimas para vigas biapoiadas ... 40
Tabela 9 - Dimensões mínimas para vigas contínuas ou vigas de pórticos ... 40
Tabela 10 - Dimensões mínimas para lajes simplesmente apoiadas ... 41
Tabela 11 - Dimensões mínimas para lajes contínuas ... 41
Tabela 12 - Dimensões mínimas para lajes lisas ou cogumelo ... 42
Tabela 13 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas simplesmente apoiadas ... 42
Tabela 14 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas contínuas em pelo menos uma das bordas ... 42
Tabela 15 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas armadas em uma só direção ... 43
Tabela 16 - Dimensões mínimas para pilares com uma face exposta ao fogo ... 43
Tabela 17 - Planilha Exemplo ... 47
Tabela 18 - Dados das vigas e verificação do TRRF ... 55
Tabela 19 - Dados das lajes maciças e verificação do TRRF ... 57
Tabela 20 - Dados da nervura da laje nervurada treliçada e verificação do TRRF ... 59
Tabela 21 - Dados da capa de concreto das lajes nervuras treliçadas e verificação do TRRF . 60 Tabela 22 - Dados dos pilares e verificação do TRRF ... 62
Tabela 23 - Dados do Pilar P2 para o cálculo do TRF ... 64
Tabela 24 - Coeficientes utilizados para o cálculo do TRF do pilar P2 ... 64
1 INTRODUÇÃO ... 9
1.1 Objetivos ... 10
1.1.1 Objetivos Geral ... 10
1.1.2 Objetivos Específicos ... 10
2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 11
2.1 Referências normativas – Estruturas expostas ao incêndio ... 11
2.2 Transferência de calor ... 12
2.3 Ação térmica em situação de incêndio ... 13
2.3.1 Curva de Incêndio Real ... 14
2.3.2 Curva de Incêndio Padrão ... 17
2.3.3 Curva Incêndio Natural... 18
2.4 Propriedades dos materiais a temperatura elevada ... 19
2.4.1 Propriedades Térmicas... 19 2.4.1.1 Concreto ... 19 2.4.1.1.1 Condutividade Térmica ... 19 2.4.1.1.2 Massa Específica ... 20 2.4.1.1.3 Calor Específico ... 21 2.4.1.1.4 Alongamento Térmico ... 21 2.4.1.2 Aço ... 22 2.4.1.2.1 Condutividade Térmica ... 22 2.4.1.2.2 Massa Específica ... 23 2.4.1.2.3 Calor Específico ... 23 2.4.1.2.4 Alongamento Térmico ... 24 2.4.2 Propriedades Mecânicas ... 24 2.4.2.1 Concreto ... 24 2.4.2.1.1 Resistência a Compressão ... 24
2.4.2.1.4 Relação Tensão-Deformação ... 27
2.4.2.2 Aço ... 29
2.4.2.2.1 Resistencia à Tração ... 29
2.4.2.2.2 Módulo de Elasticidade ... 31
2.4.2.2.3 Relação Tensão-Deformação ... 31
2.5 Projeto estrutural de concreto armado em situação de incêndio ... 33
2.5.1 Tempo Requerido de Resistência ao fogo ... 33
2.5.1.1 Método Tabular – NBR 14432:2001 ... 34
2.5.1.2 Método do Tempo Equivalente – NBR 15200:2012 ... 36
2.5.2 Dimensionamento dos Elementos... 37
2.5.2.1 Método Tabular – NBR 15200:2012 ... 38
2.5.2.1.1 Vigas ... 39
2.5.2.1.2 Lajes ... 41
2.5.2.1.3 Pilares ... 43
2.5.2.2 Método Analítico Para Pilares – NBR 15200:2012 ... 44
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 46 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 52 4.1 TRRF segundo a NBR 14432:2001 ... 52 4.1.1 Método Tabular ... 52 4.2 TRRF segundo a NBR 15200:2012 ... 52 4.2.1 Método Tabular ... 52 4.2.1.1 Vigas ... 53 4.2.1.2 Lajes ... 55 4.2.1.2.1 Laje Maciça ... 56
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 66 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 68
1 INTRODUÇÃO
A ocorrência de incêndios ao redor do mundo está cada vez mais frequente, como por exemplo, o incêndio ocorrido em abril de 2019 na histórica Catedral de Notre-Dame, localizada na cidade de Paris na França, e outros inúmeros casos que também ocorreram no Brasil, como o caso do Museu Nacional, em 2018, localizado na cidade do Rio de Janeiro, em que a estrutura entrou em colapso após a ocorrência do incêndio na edificação. Com todos esses desastres, percebe-se o quanto é importante analisar o comportamento das estruturas em situações de incêndio, sejam elas de concreto armado, aço, madeira, mistas e outras.
No entanto, poucos engenheiros conhecem as devidas normas em relação ao incêndio, e consequentemente, não são utilizadas no seu dia a dia para projetar e executar as edificações. Para as estruturas de concreto armado, utilizamse as Normas Brasileiras Regulamentadoras -NBR 6118:2014 (Projeto de Estruturas de Concreto – Procedimento) para condições normais de temperatura (variando entre 20°C a 25°C), porém deveria ser utilizada em conjunto com as normas NBR 14432:2001 (Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações – Procedimento) e a NBR 15200:2012 (Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio) que estabelecem diretrizes para que a estrutura atenda requisitos mínimos em situação de incêndio em função das características da edificação.
Alguns softwares já são programados para fazer a verificação dos elementos estruturais, se estão de acordo ou não com as normas que regem esse segmento, no entanto, softwares de engenharia e principalmente na área de estruturas são bastantes caros e requerem um alto investimento inicial para obtê-los, o que torna difícil sua aquisição.
Sendo assim, por meio das tabelas fornecidas pelas normas e com os conhecimentos adequados sobre o assunto, é possível verificar de forma eficiente se a estrutura analisada atende ou não aos requisitos mínimos normatizados, trazendo assim, mais segurança para as pessoas que usam ou vivem naquela determinada edificação.
Portanto, o trabalho visa contribuir com a segurança dos moradores de um edifício residencial multifamiliar de 4 pavimentos, no qual será feita a análise de acordo com suas características arquitetônicas e estruturais, seguindo os parâmetros normatizados. Se ao final da análise for verificada que a estrutura não atende ao Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF), será necessário ser realizadas adequações na edificação para evitar que, caso ocorra um incêndio de pequenas ou grandes proporções, os moradores do edifício não sejam atingidos pelas chamas e a estrutura resista sem comprometer sua integridade.
Considerando que o presente trabalho coincide com um momento com bastante ocorrências de incêndios em diversos locais do mundo, com isso, é necessário analisar e verificar se as devidas edificações conseguem resistir a essas situações de incêndio e, também, se a estrutura atende aos parâmetros normatizados de resistência ao fogo. Essa análise é necessária para garantir que a estrutura atenda ao TRRF ou seja, tempo necessário à fuga segura e/ou o resgate das pessoas que se encontram dentro da edificação antes do colapso total do edifício.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivos Geral
Analisar o comportamento da superestrutura de concreto armado de um edifício residencial multifamiliar quanto a sua capacidade de resistir ao incêndio durante um determinado período, de acordo com os parâmetros impostos pela NBR 14432:2001.
1.1.2 Objetivos Específicos
• Descrever o comportamento dos materiais que compõe as estruturas de concreto quando são submetidas a situação de incêndio.
• Apresentar as referidas normas utilizadas no Brasil e em algumas partes do mundo para dimensionamento e execução de estruturas de concreto armado em situação de incêndio. • Calcular o TRRF global da estrutura, de acordo com o método tabular da NBR
14432:2001.
• Determinar o TRRF dos elementos estruturais de um edifício residencial multifamiliar através da NBR 15200:2012.
• Determinar o TRF (Tempo de Resistência ao Fogo) dos pilares pelo método tabular e analítico para pilares da NBR 15200:2012 e compará-los.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Referências normativas – Estruturas expostas ao incêndio
A norma regulamentadora utilizada para projetos de estruturas de concreto simples, armado e protendido no Brasil é a NBR 6118:2014, em que a mesma estabelece os parâmetros legais que devem ser atendidos por todo o projeto estrutural, assim como os requisitos específicos na execução de cada uma das suas etapas. Em situações na qual os projetos estruturais sejam especiais como pontes, elementos pré-moldados ou viadutos, a norma recomenda que seja complementada por outras normas Brasileiras voltadas para cada condição específica. Para situações de estados limites gerados por ações específicas, como sismos, impactos, explosões e fogo, a norma não contempla nenhuma exigência, recomendando a utilização da NBR 15421:2006 para ações sísmicas e a NBR 15200:2012 em situações de incêndio (ABNT NBR 6118, 2014).
A NBR 15200:2012 demonstra os critérios de execução dos projetos de estruturas de concreto para situações de incêndio, de forma que seu atendimento seja feito de acordo com os requisitos de resistência ao fogo normatizados na NBR 14432:2001. Além de possuir como base a NBR 14432:2001 e a NBR 6118:2014, deve seguir também as exigências feitas pela NBR 15575:2013 (Edificações Habitacionais – Desempenho), para que a estrutura esteja dimensionada conforme os parâmetros impostos pela norma. Portanto, o dimensionamento da superestrutura é realizado através da NBR 6118:2014 e a análise e verificação quanto ao incêndio é feita através dos métodos fornecidos pela NBR 15200:2012, que engloba o método tabular, o método do tempo equivalente, o método experimental e os métodos avançados e simplificados de cálculo (ABNT NBR 15200, 2012)
Já a NBR 14432:2001, que foi mencionada anteriormente, estabelece que certas condições precisam ser atendidas para cada um dos elementos estruturais, para que em situações de incêndio, não ocorra o colapso da estrutura e que a saída dos ocupantes da edificação ocorra sem nenhum risco, assim como seja garantida a segurança para as ações voltadas ao combate de incêndio e que edificações vizinhas sofram o mínimo de danos possíveis. A norma também estabelece que o uso de métodos alternativos avançados (que sejam reconhecidos internacionalmente) podem ser utilizados para que sejam alcançados seus objetivos, ficando a critério do responsável técnico do projeto de segurança e combate a incêndio (ABNT NBR 14432, 2001).
As duas normas citadas anteriormente, incentivam que quando não é possível verificar algumas situações específicas, seja realizada a consulta em normas internacionais, em que oferecem melhores métodos para análise e dimensionamento das estruturas ao incêndio.
As normas internacionais mais conhecidas e utilizadas como referências para inúmeros projetos no mundo são: a norma Americana ACI 216R (American Concrete Institute - Guide for determining the fire endurance, 1989) e a Europeia Eurocode 2 (Design of concrete structures - Part 1-2: General rules – Structural fire design, 2010) que norteou a elaboração da NBR 15200:2012, na qual seus principais parâmetros são: a resistência ao fogo, e a utilização e durabilidade da estrutura. Parâmetros como isolamento acústico e térmico não são levados em consideração por ela.
A Eurocode 2 (2010) normatiza a utilização de alguns tipos de métodos de cálculo, porém há algumas restrições para a uso desses métodos, na qual deve ser atendido simultaneamente a não ocorrência ou influência do fenômeno de “Spalling” do concreto, que consiste basicamente no desprendimento do concreto quando submetido a altas temperaturas, em que a temperatura ambiente seja entorno de 20°C para função de isolamento térmico. Para o dimensionamento, são fornecidos os métodos simplificados e avançados de cálculo, entre os simplificados tem-se o método da isoterma de 500°C e o método das zonas (Método de Hertz) que são utilizados até mesmo em complemento aos métodos propostos pela NBR 15200:2012.
2.2 Transferência de calor
De acordo com Barrosa (2004), a transferência de calor acontece quando dois ou mais corpos que estão em temperaturas diferentes, são colocados no mesmo local, em que a energia térmica será transferida de um corpo para o outro.
Seja qual for o tipo de incêndio, a transferência de calor do ambiente externo para a estrutura é regida pelas leis de transferência de calor por radiação, convecção e condução. As três formas de calor quando combinadas estão presentes em todos os tipos de incêndio, no entanto, cada tipo é preponderante em certas fases do aquecimento (COSTA, 2008).
A radiação é o processo na qual a fonte de calor é responsável por transmitir as ondas eletromagnéticas para os elementos estruturais, elevando consequentemente sua temperatura. Essa emissão ocorre devido a diferença entre as chamas do incêndio e a superfície do elemento estrutural (SOUSA; SILVA, 2015). A radiação que incide sobre a superfície, não é absorvida totalmente, uma parcela é refletida devido as características do próprio material, e de como se encontra a superfície daquele elemento (COSTA, 2008).
Já no processo de convecção, existe uma movimentação de gases dentro do ambiente que se encontra em chamas, ao serem aquecidos, sua densidade é reduzida fazendo com que subam para a parte superior do ambiente e consequentemente troquem calor com os elementos estruturais (SOUSA; SILVA, 2015).
Segundo Costa (2008), a transferência de calor por condução determina a velocidade do fluxo de calor no interior do elemento. Mesmo possuindo uma maior relevância nos meios sólidos, a condução não é utilizada quando se trata de meios líquidos e gasosos, na qual o principal processo de transferência é a convecção. Portanto, se o elemento estrutural possui sua temperatura distribuída uniformemente, é possível a partir de expressões determinar a curva temperatura versus tempo no elemento (COELHO, 2010).
2.3 Ação térmica em situação de incêndio
A partir de 1950, os estudos dos elementos estruturais em situação de incêndio passaram a ser voltados para o concreto, principalmente o efeito térmico que ocasiona a degradação e a perda de resistência do mesmo. Ao contrário do que era feito nas décadas anteriores, no qual o aço era mais estudado por existir um maior número de construções com estruturas metálicas na época. Todas essas pesquisas serviram como base para que fosse elaborado os códigos Americanos e Europeus para estruturas de concreto (COSTA, 2008).
Com o interesse e consequentemente a evolução das técnicas e métodos construtivos do concreto armado, surgiu o impulso para entender como é o comportamento desse material submetido a elevadas temperaturas em conjunto com os próprios fenômenos de incêndio (OLIVEIRA, 2013).
De acordo com Coelho (2010), o incêndio é uma combustão caracterizada por liberação de calor, propagação de chamas e emissão de gases no qual, ele só poderá existir em um mesmo local, se houver um comburente e um combustível. O combustível é qualquer material susceptível a queima como papel, madeira, gasolina entre outros, enquanto o oxigênio é o comburente. Além do combustível e do comburente, é necessária uma energia de ativação que pode ser qualquer fonte de calor que possa provocar mudança no nível térmico de um combustível.
Após os estudos no concreto, surgiram curvas que são conhecidas como, a curva padrão ou incêndio padrão que independe de características como dimensões, finalidade do ambiente e das propriedades térmicas dos materiais. Além da curva padrão, existe a de incêndio real que é demonstrada pela curva temperatura-tempo (COSTA; RITA; SILVA, 2004). A maioria dos
estudos de dimensionamento e verificação do comportamento da estrutura em incêndio utilizam as curvas de incêndio padrão. No entanto, não representam com a mesma precisão do incêndio real (TAVARES; NOGUEIRA, 2016).
2.3.1 Curva de Incêndio Real
A curva de incêndio real é representada por um gráfico temperatura versus tempo onde possui dois ramos, um ascendente e um descendente. A primeira fase, é caracterizada pelo aumento de temperatura dos gases no ambiente, já a segunda, representa o resfriamento do mesmo (TAVARES; NOGUEIRA, 2016).
Segundo Costa (2008), as fases do incêndio real estão associadas as suas categorias de risco, sendo assim, ele pode ser dividido em três fases: a fase inicial ou de ignição, a fase inflamação generalizada ou flashover e pôr fim, a fase de resfriamento, conforme observa-se na Figura 1.
Figura 1 - Fases principais de um incêndio real
Fonte: Costa (2008).
A curva é dividida nas seguintes regiões:
• Ignição: Fase inicial do incêndio, em que os materiais começam a entrar em combustão, sem oferecer risco as pessoas ou as estruturas por colapso estrutural (COSTA, 2008);
• Pré-flashover: É a fase de aquecimento caracterizado pela aceleração na elevação de temperatura. A duração do incêndio ainda depende das características do ambiente até que ocorra o flashover (COSTA, 2008);
• Flashover: Instante no qual o ambiente é tomado pelas chamas. A partir desse período as chamas não podem ser mais controladas pelos meios de proteção ativa (TAVARES; NOGUEIRA, 2016);
• Pós-flashover: Estágio no qual a uma grande mudança no aumento de temperatura, no qual todo material combustível do ambiente entra em total combustão. A temperatura atinge o pico da curva (temperatura máxima de incêndio) na qual os gases quentes no ambiente são superiores a 300 °C (COSTA, 2008);
• Resfriamento: Região no qual a temperatura começa a cair gradativamente, pois todo material combustível do compartimento foi consumido (TAVARES; NOGUEIRA, 2016);
De acordo com Coelho (2010), para obter condições de segurança adequadas ao incêndio, é preciso ter meios de proteção para que não ocorra o colapso da estrutura, facilitando a saída com segurança dos usuários do edifício e a entrada do corpo de bombeiros para ações de combate, no qual, os meios de proteção ativa e passiva são os mais comuns, de acordo como é ilustrado na Figura 2.
Os meios de proteção ativa são de extrema importância, pois permitem que a identificação das chamas ocorra de uma forma rápida, assim como a desocupação do edifício feita pelos os usuários do mesmo, e que ações de combate a segurança sejam realizadas. São exemplos de proteção ativa: sistemas de iluminação de emergência, chuveiros automáticos (sprinkles), sistema manual de alarme de incêndio, hidrantes, extintores e sistema de controle e exaustão de fumaça (SOUSA; SILVA, 2015).
Já os meios de proteção passiva são incorporados à edificação durante seu processo de construção e não necessitam de nenhum acionamento para que funcionem. Seu desempenho durante a ocorrência das chamas não depende de qualquer fator ou ação externa (SEITO, et al, 2008). Com isso, temos que os principais meios de proteção passiva são: resistência ao fogo dos elementos estruturais, reação as chamas dos materiais de acabamentos e revestimentos, separação entre as edificações e principalmente saída de emergências em locais estratégicos (OLIVEIRA, 2013).
Figura 2 - Meios de proteção na curva de incêndio real
Fonte: Costa (2008).
É importante ressaltar que o uso dos meios de proteção ativa para combater o incêndio antes do flashover é primordial. Se os meios de proteção forem suficientes, o incêndio pode ser totalmente controlado e combatido, sem nenhum dano a estrutura, em que caso aconteça esse controle, não será necessário a verificação e análise da estrutura (SILVA, 2004).
Vale lembrar, que mesmo se o mecanismo de proteção ativa conseguir combater o incêndio, ainda há um pequeno aumento de temperatura, conforme observa-se na Figura 3, pois as chamas não são controladas imediatamente devido a inércia termal dos materiais que foram aquecidos e ainda liberam calor por algum tempo (TAVARES; NOGUEIRA, 2016).
Figura 3 - Comportamento do elemento estrutural na curva de incêndio real
A curva de incêndio real necessita de características e fatores específicos do ambiente analisado, tornando difícil sua utilização, com isso, as normas recomendam o uso de outra curva, denominada curva de incêndio padrão (SOUSA; SILVA, 2015).
2.3.2 Curva de Incêndio Padrão
A curva de incêndio padrão apresenta apenas um ramo ascendente, como ilustra a Figura 4, para que não necessite das características da carga de incêndio e/ou do ambiente, em que a temperatura dos gases está em função do tempo. Portanto, a curva de incêndio padrão não demonstra as situações reais de incêndio, no entanto, seu uso é feito para simplificar os ensaios nos elementos construtivos e nas análises de resistência ao fogo. (SOUSA; SILVA, 2015).
Figura 4 - Comparação entre a curva de incêndio real e a curva de incêndio padrão
Da mesma forma que os elementos estruturais se comportam na curva de incêndio real, acontece a mesma coisa na curva de incêndio padrão, ou seja, os elementos ainda apresentam aumento de temperatura durante alguns minutos devido suas características termais, mesmo com o fim das chamas, conforme observa-se na Figura 5 (TAVARES; NOGUEIRA, 2016).
Figura 5 - Comportamento do elemento estrutural na curva de incêndio padrão
Fonte: Costa (2008).
Segundo Costa (2008), para melhorar o entendimento e facilitar a realização de ensaios e os projetos de estruturas, o incêndio foi padronizado por curvas nominais. Essas curvas são representadas por equações e por meio de tabelas simples, com aplicação direta e padronizada para aquele determinado ambiente
As curvas nominais mais utilizadas internacionalmente são: a curva padrão (standard curve) utilizados em materiais celulósicos, a curva “H” (hydrocarbon curve) para incêndios de hidrocarbonetos e a curva de incêndio externo (external fire curve) (COSTA, 2008).
2.3.3 Curva Incêndio Natural
As curvas naturais ou incêndio natural são utilizadas para caracterizar as curvas de incêndio mais realistas que acontecem nos edifícios. As curvas, são dependentes de alguns fatores que possui cada tipo de incêndio. Estas possuem dois tipos, as curvas simplificadas e a curvas avançadas (COSTA, 2008).
2.4 Propriedades dos materiais a temperatura elevada
O concreto é composto por agregados graúdos, miúdos, cimento e água, em que no seu estado endurecido, possui capacidade de resistência à compressão. Já as barras de aço, que são colocadas no interior do concreto, são capazes de resistir aos esforços de tração, estas, possuem saliências na sua superfície para promover a aderência com o concreto e garantir que os dois trabalhem solidariamente, como um material homogêneo em temperatura ambiente. Quando submetido a temperaturas acima dos 100 °C, o concreto perde sua homogeneidade devido suas transformações físicas, químicas e mineralógicas, afetando todos seus constituintes (COSTA, 2008).
Sendo assim, para que ocorra um bom dimensionamento das estruturas de concreto armado em situações de incêndio, é preciso haver o amplo conhecimento de suas propriedades termomecânicas e suas variedades conforme a temperatura. As propriedades térmicas mais importantes são: condutividade térmica, massa específica, calor específico e expansão térmica. E nas propriedades mecânicas, temos: as resistências à compressão e à tração, as relações tensão-deformação e o módulo de elasticidade (TAVARES; NOGUEIRA, 2016).
2.4.1 Propriedades Térmicas
2.4.1.1 Concreto
2.4.1.1.1 Condutividade Térmica
É uma propriedade física do concreto que diminui com o aumento de temperatura. A condutividade térmica está diretamente ligada com as propriedades dos agregados, porém, a porosidade da pasta de cimento também influência nas suas características (CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
A Eurocode 2 (2010) e a NBR 15220:2012, recomendam que a condutividade térmica do concreto de densidade normal e agregado silicoso ou calcário, deve possuir temperatura () variando entre 20 °C a 1200 °C, no qual é expressa pela Equação 1:
𝜆 = 1,36 − 0,136 𝜃𝑐 100+ 0,0057 ( 𝜃𝑐 100) 2 (1)
Em que:
λ é a condutividade térmica do concreto de densidade normal com agregado silicioso ou calcário [W/m°C];
c representa a temperatura do concreto [°C];
Por questões de facilitar e simplificar o entendimento da condutividade térmica do concreto com a temperatura, a NBR 15200:2012 recomenda adotar como constante o valor de 1,3 W/m°C.
2.4.1.1.2 Massa Específica
De acordo com Costa (2008), a massa específica do concreto, dependerá da massa específica dos agregados e do teor de umidade livre, para o intervalo de temperatura de 20 °C ≤ ≤ 150 °C. Quando submetido a temperaturas elevadas, possui uma pequena redução, causada pela perda de umidade e do aumento de volume, que está relacionado a expansão térmica do material.
A norma Europeia Eurocode 2 (2010) e a NBR 15220:2012 fornecem as equações abaixo (Equação 2) para o cálculo da massa específica em função da temperatura, no qual é aplicável aos concretos de densidade normal com agregados silicosos ou calcáreos.
𝜌𝑐,𝜃 = 𝜌𝑐 para 20°C ≤ ≤ 150°C (2) 𝜌𝑐,𝜃 = 𝜌𝑐[1 − 0,02 ( 𝜃−115 85 )] para 115°C ≤ ≤ 200°C 𝜌𝑐,𝜃 = 𝜌𝑐[0,98 − 0,03 (𝜃−200 200 )] para 200°C ≤ ≤ 400°C 𝜌𝑐,𝜃 = 𝜌𝑐[0,95 − 0,07 ( 𝜃−400 8 )] para 400°C ≤ ≤ 1200°C Em que:
ρc massa específica do concreto de densidade normal à temperatura ambiente [kg/m³]; ρc, massa específica do concreto de densidade normal em função da temperatura [kg/m³];
O impacto da variação da massa específica do concreto nas propriedades térmicas do mesmo é praticamente inexistente, podendo assim, considerar seu valor, mesmo submetido a
altas temperaturas, como constante, que é o mesmo utilizado para temperaturas ambientes (COSTA, 2008).
A NBR 6118:2014, sugere o uso de dois valores de massa específica para serem utilizados nos projetos de estruturas de concreto. Para 𝜌𝑐 = 2400 kg/m³, é utilizado em situações
de análise térmica das seções do concreto armado, já 𝜌𝑐= 2500 kg/m³ é usado no cálculo do peso próprio dos elementos estruturais.
2.4.1.1.3 Calor Específico
O calor específico é a propriedade termodinâmica mais importante do concreto, no qual, é responsável por medir a variação térmica do elemento ao receber calor. A Equação 3 é fornecida pela Eurocode 2 (2010) e pela NBR 15220:2012 para obter o calor específico em função da temperatura (COSTA, 2008).
𝑐𝑝,𝜃= 900 para 20°C ≤ ≤ C (3) 𝑐𝑝,𝜃= 900 + (𝜃 − 100) para 100°C ≤ ≤ C 𝑐𝑝,𝜃= 1000 + ( 𝜃−200 2 ) para 200°C ≤ ≤ C 𝑐𝑝,𝜃= 1100 para 400°C ≤ ≤ C Em que:
𝑐𝑝,𝜃 é o calor específico por unidade de massa do concreto de densidade normal em função da
temperatura θ [J/kg/°C];
Para análises mais simplificadas, a NBR 15200:2012 admite a consideração do calor específico constante em função da temperatura, com valor de 𝑐𝑝 = 1000 J/kg°C
2.4.1.1.4 Alongamento Térmico
De acordo com NBR 15200:2012 e a Eurocode 2 (2010) o alongamento (expansão) térmico é calculado a partir da Equação 4, para concretos de densidade normal com agregado silicoso.
∆𝑙 𝑙 = −1,8𝑥10 −4+ 9𝑥10−6𝜃𝑐 + 2,3𝑥10−11𝜃𝑐3 para 20°C ≤ ≤ C (4) ∆𝑙 𝑙 = −14𝑥10 −3 para 700°C ≤ ≤ C Em que:
l o comprimento do elemento de concreto a 20 °C;
l é o alongamento do referido elemento causado pela variação de temperatura; a temperatura do elemento [°C];
∆𝑙
𝑙 alongamento térmico do concreto em função da temperatura [m/m];
Em situações de cálculo mais simplificadas, a relação entre o alongamento específico de densidade normal e a temperatura é expressa pela Equação (5):
∆𝑙
𝑙 = −14𝑥10
−3 para 20°C ≤ ≤ C (5)
Para valores de temperatura muito elevada, em algumas ocasiões, o concreto pode se dilatar mais que o aço. Tal situação está relacionada com os tipos de agregados que compõe o concreto assim como o tipo do aço e seu modo de fabricação, e consequentemente a que nível de temperatura será alcançado no concreto armado (COSTA, 2008).
2.4.1.2 Aço
Normalmente as propriedades térmicas do aço para concreto armado e concreto protendido são irrelevantes, pois a área das barras de aço que compõe a armadura do elemento estrutural é bastante pequena para que ocorra o desenvolvimento de gradientes de temperatura consideráveis na seção do aço. Desta forma, para análises termoestruturais nas seções do concreto armado, a condutividade do aço não apresenta muita importância (COSTA, 2008).
2.4.1.2.1 Condutividade Térmica
A Eurocode 4 (Design of composite steel and concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design, 2005) fornece o cálculo para se obter a condutividade térmica do aço através do uso da Equação 6.
𝜆𝑎,𝜃 = 54 − 3,33𝑥10−2𝜃 para 20°C ≤ ≤ C (6)
𝜆𝑎,𝜃 = 27,3 para 800°C ≤ ≤ C
Em que:
𝜆𝑎,𝜃 é a condutividade térmica do aço em função da temperatura θ [W/m°C];
A norma Europeia também recomenda que para modelos mais simples de cálculo, a condutividade pode ser tomada como independente da temperatura, ou seja, com valor constate igual a λa,θ = 45 W/m°C (CEN, 2005).
2.4.1.2.2 Massa Específica
Segundo Costa (2008), por possuir uma microestrutura cristalina bem definida e constante a elevadas temperaturas, a massa específica do aço independe da temperatura, tendo como valor ρs = 7850 kg/m³.
2.4.1.2.3 Calor Específico
Através das recomendações feita pela Eurocode 4 (2005), o calor específico para qualquer tipo de aço, é calculado através da Equação 7.
𝑐𝑎,𝜃 = 425 + 7,73𝑥10−1𝜃 − 1,69𝑥10−3𝜃2+ 2,22𝑥10−6𝜃3 para 20°C ≤ ≤ C (7) 𝑐𝑎,𝜃 = 666 − (13002 𝜃−738) para 600°C ≤ ≤ C 𝑐𝑎,𝜃 = 545 − ( 17820 𝜃−731) para 735°C ≤ ≤ C 𝑐𝑎,𝜃 = 650 para 900°C ≤ ≤ C Em que: θ é a temperatura do aço [°C];
A própria Eurocode 4 (2005) fornece para modelos mais simplificados de cálculo, que o calor específico seja constante sem depender da temperatura, com valor igual a 𝑐𝑎 =
600 𝐽/𝑘𝑔°𝐶.
2.4.1.2.4 Alongamento Térmico
O alongamento térmico do aço é obtido a partir da Equação 8, no qual a Eurocode 2 (2010) e a NBR 15200:2012 fornecem as diretrizes de cálculo.
∆𝑙 𝑙𝑐 = −2,416𝑥10 −4+ 1,2𝑥10−5𝜃 − 0,4𝑥10−8𝜃2 para 20°C ≤ ≤ C (8) ∆𝑙 𝑙𝑐 = 11𝑥10 −3 para 750°C ≤ ≤ C ∆𝑙 𝑙𝑐 = −6,2𝑥10 −3+ 2𝑥10−5𝜃 para 860°C ≤ ≤ C Em que: ∆𝑙
𝑙𝑐 é o alongamento térmico do aço em função da temperatura [m/m];
𝑙𝑐 é o comprimento do elemento de aço a 20 °C;
∆𝑙 é o alongamento do referido elemento causado pela variação de temperatura; 𝜃 a temperatura do elemento [°C];
O alongamento do aço pode ser utilizado para análises mais simplificadas, no qual é representado por uma função linear, demonstrada pela Equação 9.
∆𝑙 𝑙𝑐 = 14𝑥10 −6(𝜃 − 20) para 20°C ≤ ≤ C (9) 2.4.2 Propriedades Mecânicas 2.4.2.1 Concreto 2.4.2.1.1 Resistência a Compressão
A resistência do concreto endurecido diminui com o aumento de temperatura, e pode ser estimada através de um coeficiente minorador (𝑘𝑐,𝜃) disposto na Tabela 1, fornecido pela
NBR 15200:2012 em conjunto com a Eurocode 2 (2010), na qual, é dependente da temperatura e do tipo de agregado que é utilizado na composição do concreto. Desta forma, a resistência característica do concreto a compressão em altas temperaturas é calculada de acordo com a Equação 10 (COSTA, 2008).
𝑓𝑐,𝑘𝜃 = 𝑘𝑐,𝜃. 𝑓𝑐𝑘 (10)
Em que:
𝑓𝑐𝑘 resistência característica do concreto à compressão em temperatura ambiente [MPa]; 𝑓𝑐𝑘,𝜃 resistência característica do concreto à compressão em função da alta temperatura [MPa];
𝑘𝑐,𝜃 é o coeficiente de redução da resistência do concreto à compressão em função da
temperatura [adimensional];
Tabela 1 - Coeficiente de redução da resistência à compressão do concreto, em função da temperatura
Fonte: Adaptado de Costa (2008).
agregados silicosos agregados calcaréos agregados leves
20 1 1 1 100 1 1 1 200 0,95 0,97 1 300 0,85 0,91 1 400 0,75 0,85 0,88 500 0,60 0,74 0,76 600 0,45 0,60 0,64 700 0,30 0,43 0,52 800 0,15 0,27 0,40 900 0,08 0,15 0,28 1000 0,04 0,06 0,16 1100 0,01 0,02 0,04 1200 0 0 0 (°C) Kc,
Além do coeficiente 𝑘𝑐,𝜃 mencionado anteriormente, para o cálculo da resistência a
compressão do concreto exposto a altas temperaturas, ainda é preciso que seja utilizado outro coeficiente de minoração (𝑦𝑐) em situações excepcionais de cálculo, como é mostrado na
Equação 11 (SOUSA; SILVA, 2015).
𝑓𝑐𝑑,𝜃 = 𝑘𝑐,𝜃.𝑓𝑐𝑘
𝑦𝑐 (11)
Em que:
𝑓𝑐𝑑,𝜃 é resistência de cálculo do concreto à compressão à alta temperatura [MPa];
2.4.2.1.2 Resistência a Tração
Normalmente a resistência a tração do concreto em temperatura ambiente é desprezada, da mesma forma ocorre para situações de temperaturas elevadas. No entanto, se houver a necessidade da sua consideração, seu valor pode ser adotado como o mesmo em temperatura ambiente, para valores de até 100°C (SOUSA; SILVA, 2015). Para situações que ultrapassem essa temperatura, a Eurocode 2 (2010) recomenda o uso da Equação 12 para obter o valor de resistência característica a tração.
𝑓𝑐𝑡,𝜃 = 𝑓𝑐𝑡 para ≤ C (12) 𝑓𝑐𝑡,𝜃 = [1 − (𝜃−100
500 )] 𝑓𝑐𝑡 para 100°C ≤ ≤ C
Em que:
𝑓𝑐𝑡 é a resistência à tração do concreto em temperatura ambiente [MPa]; 𝑓𝑐𝑡,𝜃 trata-se da resistência à tração do concreto à alta temperatura θ [MPa];
2.4.2.1.3 Módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade do concreto assim como a resistência a compressão, diminui à medida que há um aumento de temperatura no elemento. Desta forma, também é necessário o uso de um coeficiente minorador (𝑘𝑐𝐸,𝜃) (COSTA, 2008). A Eurocode 2 (2010) é responsável
por fornecer a equação necessária para se obter o valor do módulo de elasticidade (Equação 13).
𝐸𝑐,𝜃 = 𝑘𝑐𝐸,𝜃. 𝐸𝑐 (13)
Em que:
𝐸𝑐 é o módulo de elasticidade do concreto à temperatura ambiente [MPa]; 𝐸𝑐,𝜃 é o módulo de elasticidade do concreto à alta temperatura θ [MPa];
𝑘𝑐𝐸,𝜃 é o coeficiente redutor do módulo de elasticidade do concreto em função da temperatura
θ [adimensional], onde 𝑘𝑐𝐸,𝜃 = 𝑘²𝑐,𝜃;
2.4.2.1.4 Relação Tensão-Deformação
A Eurocode 2 (2010) e a NBR 15200:2012, fornecem o uso da Equação 14, para a representação do ramo ascendente no diagrama tensão-deformação do concreto a temperaturas elevadas. 𝜎𝑐,𝜃 = 𝑓𝑐,𝜃. 3. (𝜀𝑐,𝜃 𝜀𝑐1,𝜃) 2 + (𝜀𝑐,𝜃 𝜀𝑐1,𝜃) 3 (14) Em que:
𝜎𝑐,𝜃 equivale a tensão à compressão do concreto à alta temperatura θ [MPa]; 𝑓𝑐,𝜃 é a resistência à compressão do concreto à alta temperatura θ [Mpa];
𝜀𝑐,𝜃 representa a deformação linear específica do concreto à alta temperatura [adm];
𝜀𝑐1,𝜃 corresponde à deformação linear específica devido a tensão de resistência máxima do concreto à alta temperatura θ [adm], fornecido pela Tabela 2;
Na elaboração do ramo descendente no diagrama tensão-deformação, as duas normas citadas anteriormente não propõem nenhum método especifico, podendo assim ser usado a Equação 14 ou adotar uma reta entre 𝜀𝑐1,𝜃 e 𝜀𝑐𝑢,𝜃 como é mostrado na Tabela 2 (SOUSA; SILVA, 2015).
A Eurocode 2 (2010) e a NBR 15200:2012, diferem sobre os valores utilizados na deformação especifica 𝜀𝑐1,𝜃. A NBR 15200:2012 engloba os concretos compostos por
agregados silicosos (Tabela 2), já a Eurocode 2 (2010) utiliza o concreto com agregados silicosos e calcáreos (Tabela 3) (SOUSA; SILVA, 2015).
Tabela 2 - Deformação específica do concreto em função da alta temperatura, NBR 15200
Fonte: Adaptada da ABNT NBR 15200 (2012).
Tabela 3 - Deformação específica do concreto em função da alta temperatura, Eurocode 2
Fonte: Adaptada da CEN (2010). Temperatura do Concreto (°C) ec1, (%) ecu, (%) 20 0,25 2,00 100 0,35 2,25 200 0,45 2,50 300 0,60 2,75 400 0,75 3,00 500 0,95 3,25 600 1,25 3,50 700 1,40 3,75 800 1,45 4,00 900 1,50 4,25 1000 1,50 4,50 1100 1,50 4,75 1200 1,50 -ec1, (%) ec, (%) ec1, (%) ec, (%) 20 0,25 2,00 0,25 2,00 100 0,40 2,25 0,40 2,25 200 0,55 2,50 0,55 2,50 300 0,70 2,75 0,70 2,75 400 1,00 3,00 1,00 3,00 500 1,50 3,25 1,50 3,25 600 2,50 3,50 2,50 3,50 700 2,50 3,75 2,50 3,75 800 2,50 4,00 2,50 4,00 900 2,50 4,25 2,50 4,25 1000 2,50 4,50 2,50 4,50 1100 2,50 4,75 2,50 4,75 1200 - - - -Temperatura do Concreto (°C)
2.4.2.2 Aço
2.4.2.2.1 Resistencia à Tração
Da mesma forma que no concreto, a resistência do aço à tração diminui quando submetido à elevadas temperaturas por meio do coeficiente minorador 𝑘𝑠,𝜃, exposto na Tabela 4. Os valores característicos a tração do aço em função da temperatura é calculada a partir das Equações 15 e 16 (CEN, 2010; ABNT, 2012).
𝑓𝑦𝑘,𝜃 = 𝑘𝑠,𝜃. 𝑓𝑦𝑘 (15) 𝑓𝑦𝑑,𝜃= 𝑘𝑠,𝜃.𝑓𝑦𝑘
𝛾𝑠 (16)
Em que:
𝑓𝑦𝑘,𝜃 é a resistência característica do aço à tração a alta temperatura θ [MPa];
𝑘𝑠,𝜃 é o coeficiente redutor da resistência à tração do aço em função da temperatura θ [adm];
𝑓𝑦𝑘 valor da resistência característica do aço à tração em temperatura ambiente [MPa];
𝑓𝑦𝑑,𝜃 é a resistência de cálculo do aço à tração em temperatura elevada θ [MPa];
Tabela 4 - Valores dos coeficientes de redutores ks,θ, kE,θ e kp,θ para aços de armadura passiva em função da temperatura
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 15200 (2012).
Para situações de compressão no aço a Eurocode 2 (2010) recomenda o uso da Equação 17 para se obter o coeficiente minorador da resistência do aço em situação de compressão.
𝑘𝑠,𝜃 = 1 para 20°C ≤ ≤ C (17) 𝑘𝑠,𝜃 = 0,7 − 0,3(𝜃−400) 300 para 100°C ≤ ≤ C 𝑘𝑠,𝜃 = 0,57 −0,13(𝜃−500) 100 para 400°C ≤ ≤ C 𝑘𝑠,𝜃 = 0,1 −0,47(𝜃−700) 200 para 500°C ≤ ≤ C 𝑘𝑠,𝜃 =0,1(1200−𝜃) 500 para 700°C ≤ ≤ C
No aço tracionado em situação de incêndio, considera-se que o patamar de escoamento do aço seja atingido com 𝜀𝑠,𝜃= 2%. Já para as armaduras comprimidas, a deformação que ocorre no aço deve ser computada em conjunto com a do concreto, no qual, os 2% de deformação serão difíceis de serem atingidos (TAVARES; NOGUEIRA, 2016).
Compressão CA-50 CA-60 CA-50 ou CA-60
1 2 3 4 5 6 - -20 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 100 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,96 200 1,00 1,00 0,89 0,90 0,87 0,81 0,92 300 1,00 1,00 0,78 0,80 0,72 0,61 0,81 400 1,00 0,94 0,67 0,70 0,56 0,42 0,63 500 0,78 0,67 0,56 0,60 0,40 0,36 0,44 600 0,47 0,40 0,33 0,31 0,24 0,18 0,26 700 0,23 0,12 0,10 0,13 0,08 0,07 0,08 800 0,11 0,11 0,01 0,09 0,06 0,05 0,06 900 0,06 0,08 0,06 0,07 0,05 0,04 0,05 1000 0,04 0,05 0,04 0,04 0,03 0,02 0,04 1100 0,02 0,03 0,02 0,02 0,02 0,01 0,02 1200 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Temperatura do Aço (°C) kc, = fyk,/fyk Tração kc,q = fyk,/fyk kc,q = fyk,/fyk
2.4.2.2.2 Módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade do aço assim como as outras propriedades, tem seu valor reduzido com o aumento de temperatura. Essa redução é obtida através do uso do coeficiente minorador 𝑘𝑠𝐸,𝜃. Com o valor do coeficiente em mãos, a NBR 15200:2012, assim como a Eurocode 2 (2010), sugerem o uso da Equação 18 para o cálculo do modulo de elasticidade de armaduras passivas.
𝐸𝑠,𝜃 = 𝑘𝑠𝐸,𝜃. 𝐸𝑠 (18)
Em que:
𝐸𝑠 módulo de elasticidade do aço em situação normal [MPa];
𝐸𝑠,𝜃 trata-se do módulo de elasticidade do aço a alta temperatura θ [MPa];
𝑘𝑠𝐸,𝜃 coeficiente redutor do módulo de elasticidade do aço em função da temperatura θ [adimensional]. Este é obtido através da Tabela 4 fornecida pela NBR 15200:2012;
Da mesma forma que nas armadura ativas, o módulo de elasticidade das armaduras passivas reduz em situações de incêndio, de acordo com o que é mostrado na Equação 19 (ABNT, 2012; CEN, 2010).
𝐸𝑝,𝜃 = 𝑘𝑝𝐸,𝜃. 𝐸𝑝 (19) Em que:
𝐸𝑝,𝜃 módulo de elasticidade do aço protendido a alta temperatura [MPa];
𝑘𝑝𝐸,𝜃 trata-se do coeficiente redutor do módulo de elasticidade do aço protendido em função da temperatura;
𝐸𝑝 módulo de elasticidade do aço em situação normal [MPa];
2.4.2.2.3 Relação Tensão-Deformação
Nos métodos propostos pela Eurocode 2 (2010) e pela NBR 15200:2012, na elaboração do diagrama de tensão-deformação do aço, são utilizados três fatores dependentes da temperatura: a resistência ao escoamento 𝑓𝑦𝑘,𝜃, a inclinação do regime linear elástico (Módulo
de Elasticidade) 𝐸𝑠,𝜃 e a resistência ao limite de proporcionalidade do aço 𝑓𝑝𝑘,𝜃 (TAVARES;
NOGUEIRA, 2016).
Sendo assim, de acordo com a Eurocode 2 (2010) e a NBR 15200:2012, os diagramas tensão-deformação do aço podem ser representados de acordo com a Equação 20, e conforme indicado na Figura 6. 𝜎𝑠,𝜃 = 𝜀𝑠,𝜃. 𝐸𝑠,𝜃 para 0 ≤ 𝜀𝑠,𝜃 < 𝜀𝑝,𝜃 (20) 𝜎𝑠,𝜃 = 𝑓𝑝,𝜃− 𝑐 + 𝑏 𝑎√𝑎 2− (𝜀 𝑦,𝜃− 𝜀𝑠,𝜃)² para 𝜀𝑝,𝜃 ≤ 𝜀𝑠,𝜃 < 𝜀𝑦,𝜃 𝜎𝑠,𝜃 = 𝑓𝑦𝑘,𝜃 para 𝜀𝑦,𝜃 ≤ 𝜀𝑠,𝜃 < 𝜀𝑡,𝜃 𝜎𝑠,𝜃 = 𝑓𝑦𝑘,𝜃. [1 −(𝜀𝑠,𝜃−𝜀𝑡,𝜃) (𝜀𝑢,𝜃−𝜀𝑡,𝜃)] para 𝜀𝑡,𝜃 ≤ 𝜀𝑠,𝜃 < 𝜀𝑢,𝜃 𝜎𝑠,𝜃 = 0 para 𝜀𝑢,𝜃 < 𝜀𝑠,𝜃 𝑎2 = (𝜀 𝑦,𝜃− 𝜀𝑝,𝜃)² (𝜀𝑦,𝜃− 𝜀𝑝,𝜃+ 𝑐 𝐸𝑠,𝜃 ) 𝑏2 = 𝑐. (𝑒𝑦,𝜃− 𝑒𝑝,𝜃). 𝐸𝑠,𝜃+ 𝑐² 𝑐 = (𝑓𝑦𝑘,𝜃− 𝑓𝑝,𝜃) (𝜀𝑦,𝜃− 𝜀𝑝,𝜃). 𝐸𝑠,𝜃 − 2. (𝑓𝑦𝑘,𝜃− 𝑓𝑝,𝜃) 𝜀𝑝,𝜃 = 𝑓𝑝,𝜃 𝐸𝑠,𝜃 𝜀𝑦,𝜃 = 0,02 𝑓𝑝,𝜃 = 𝑘𝑝,𝜃. 𝑓𝑦,𝑘 Em que:
𝑓𝑦𝑘,𝜃 é a resistência ao escoamento do aço a alta temperatura [MPa];
𝑓𝑦,𝑘 resistência ao escoamento do aço a temperatura ambiente (20°C) [MPa];
𝑓𝑝,𝜃 é a resistência do limite de proporcionalidade do aço na temperatura [MPa];
𝑘𝑝,𝜃 trata-se do coeficiente redutor do limite de proporcionalidade [adimensional]; 𝐸𝑠,𝜃 refere-se ao módulo de elasticidade do aço na temperatura [MPa];
Figura 6 - Diagrama tensão-deformação do aço a temperaturas elevadas
Fonte: ABNT NBR 15200 (2012); CEN (2010).
2.5 Projeto estrutural de concreto armado em situação de incêndio
Segundo Costa (2008), o incêndio é caracterizado para fins estruturais, pela relação entre a temperatura dos gases do ambiente com o tempo, indicado através da curva de incêndio real, que já foi mencionado anteriormente. Na qual, a partir dessa curva é possível obter a temperatura máxima atingidas pelos elementos estruturais.
Através das curvas naturais, a temperatura máxima do elemento pode ser obtida, e o dimensionamento da estrutura baseado nessa temperatura é capaz de assegurar uma resistência adequada as chamas, durante a vida útil de edificação. No entanto, também existe a temperatura crítica, que é responsável por ocasionar o colapso do elemento estrutural em uma situação de incêndio. Esta temperatura, depende das cargas atuantes, dos vínculos e da geometria da estrutura, assim como os materiais que a constituem. A temperatura crítica deve ser evitada durante o dimensionamento (COSTA, 2008).
Normalmente, utiliza-se a curva de incêndio padrão, pois seu uso facilita os cálculos, no entanto, a curva padrão não apresenta a temperatura máxima do elemento estrutural (Figura 5). Com isso, foi criado um “tempo” em que ocorre a temperatura máxima, na qual é conhecido como tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF), e pode ser obtido através da NBR 14432:2001 e pela NBR 15200:2012 (COSTA, 2008).
O Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) é definido como “Tempo mínimo de resistência ao fogo, de um elemento construtivo quando sujeito ao incêndio-padrão” (ABNT NBR 14432, 2001, p.4). Este tempo no qual a estrutura deve resistir, consiste na capacidade isolada de cada elemento da edificação (lajes, vigas e pilares).
Nas situações em que um elemento fizer parte de mais de um ambiente ou até mesmo do edifício, este deve atender o maior TRRF de acordo com cada situação. Outra situação específica está relacionada com a existência de pavimentos subsolos na edificação, na qual, se houver alguma abertura para o nível térreo e possuir uma determinada inclinação no terreno, permitindo a saída da fumaça e acesso rápido ao combate das chamas, o dimensionamento dos elementos construtivos desse pavimento é realizado da mesma forma que os pavimentos acima do mesmo, uma vez que, as ocupações sejam de certa forma similares (ABNT NBR 15200, 2001).
A NBR 14432:2001 propõe o método tabular para se obter o TRRF total da estrutura, já a NBR 15200:2012 indica os seguintes métodos: tabular, tempo equivalente, analítico para pilares, simplificado de cálculo, avançados de cálculo e o experimental, para a obtenção isolada do TRRF dos elementos estruturais que compõe a estrutura. No entanto, alguns métodos são mais complexos e necessitam de mais conhecimento para serem executados, sendo assim, a maioria das verificações de incêndio utilizando a NBR 15220:2012 é realizada através do método tabular e do tempo equivalente (ABNT NBR 14432, 2001).
2.5.1.1 Método Tabular – NBR 14432:2001
O método tabular é proposto pela NBR 14432:2001 no qual é possível obter o tempo requerido de resistência ao fogo da edificação. O método é de fácil compreensão e execução, pois, é composto apenas por tabelas o que facilita seu entendimento. Seus valores foram baseados nas normas estrangeiras, principalmente a norma Europeia Eurocode 2 (2010).
É composto por duas tabelas, no qual a primeira estabelece o tipo das edificações em classe e em função da utilização, e a segunda (Tabela 5) estabelece o TRFF a partir da classificação feita anteriormente com a altura da estrutura. A NBR 14432:2001 ainda fornece uma última tabela, na qual é possível obter os valores de carga de incêndio para cada uso específico do edifício (ABNT NBR 14432, 2001).
Tabela 5 - Tempos Requeridos de Resistência ao Fogo (TRRF), em minutos
Fonte: ABNT NBR 14432 (2001).
A referida norma também estabelece a verificação das edificações que podem estar isentas da análise do TRRF, sendo que essa verificação depende da área construída, do número de pavimentos e da carga de incêndio que possui a edificação. Edificações com área menor que 750 m², ou com até dois pavimentos, e área menor que 1500 m² e carga de incêndio menor que 1000 MJ/m², estão isentas para a análise do TRRF de acordo com a NBR 14432:2001. Da mesma forma, estão isentas a estruturas térreas, porém com algumas situações específicas que devem ser analisadas separadamente (ABNT NBR 14432, 2001).
Classe S2 hs>10m Classe S1 hs≤10m Classe P1 h≤6m Classe P2 6m<h≤6m Classe P3 12m<h≤23m Classe P4 23m<h≤30 m Classe P5 h>30 m
A Residencial A-1 a A-3 90 60 (30) 30 30 60 90 120
B Serviço de hospedagem B-1 a B-2 90 60 30 60 (30) 60 90 120 C Comercial varejista C-1 a C-3 90 60 60 (30) 60 (30) 60 90 120 D Serviços profissionais, pessoais e técnicos D-1 a D-3 90 60 (30) 30 60 (30) 60 90 120 E Educacional e
cultura física E-1 a E-6 90 60 (30) 30 30 60 90 120
F Locais de reunião público F-1, F-2, F-5, F-6 e F-8 90 60 60 (30) 60 60 90 120 G-1 e G-2 não abertos lateralmente e G-3 e G-5 90 60 (30) 30 60 (30) 60 90 120 G-1 e G-2 abertos lateralmente 90 60 (30) 30 30 30 30 60 H Serviços de saúde e institucionais H-1 a H-5 90 60 30 60 60 90 120 I-1 90 60 (30) 30 30 60 90 120 I-2 120 90 60 (30) 60 (30) 90 (60) 120 (90) 120 J-1 90 60 (30) 30 30 30 30 60 J-2 120 90 60 60 90 (60) 120 (90) 120 G I J Grupo Altura da edificação Profundidade do subsolo Divisão Ocupação/uso Depósitos Industrial Serviços automotivos
2.5.1.2 Método do Tempo Equivalente – NBR 15200:2012
Em contrapartida ao método tabular da NBR 14432:2001 é proposto pela NBR 15200:2012 o método de tempo equivalente. Este método consiste em identificar a temperatura do elemento estrutural que está sendo analisado a partir da curva padrão para um tempo fictício sendo este o tempo equivalente. Sendo que, essa temperatura corresponde a máxima temperatura do elemento estrutural, dado a partir do estudo da curva natural (SOUSA; SILVA, 2015).
O tempo equivalente requerido de resistência ao fogo dos elementos estruturais é calculado através da Equação 21 (ABNT NBR 15200, 2012).
𝑡𝑒 = 0,07𝑞𝑓𝑖,𝑘𝑊𝛾𝑛𝛾𝑠 (21)
Em que:
𝑞𝑓𝑖,𝑘 valor característico da carga de incêndio específica determinada de acordo com a NBR 14432:2001;
𝑊 trata-se de um fator que considera a influência da ventilação e da altura do compartimento (H) em função da área de ventilação vertical (Av) para o ambiente externo, tendo em vista que as janelas se quebram no incêndio, e da área do piso do compartimento (Af);
𝑊 = (6 𝐻) 0,3 {0,62 + 90 (0,4 −𝐴𝑉 𝐴𝑓) 4 } ≥ 0,5 para 𝐴𝑉 𝐴𝑓 ≤ 0,30, quando 𝐴𝑉 𝐴𝑓 > 0,30, adotar 𝐴𝑉 𝐴𝑓 = 1.
𝛾𝑛 refere-se a um fator de ponderação obtido por 𝛾𝑛 = 𝛾𝑛1𝛾𝑛2𝛾𝑛3, cujos valores e condições
são fornecidos pela Tabela 6. Havendo ausência de algum dos meios de proteção fornecidos por esta, admitir o referido 𝛾𝑛 = 1;
Tabela 6 - Fatores de ponderação das medidas de segurança contra incêndio
Fonte: ABNT NBR 15200 (2012). Existencia de chuveiros automáticos gn1 Brigada contra incêndio gn2 Existência de detecção automática gn3 0,6 0,9 0,9 Valores de gn1, gn2 e gn3
𝛾𝑠 fator de ponderação determinado por 𝛾𝑠 = 𝛾𝑠1𝛾𝑠2.
Em que: 𝛾𝑠1= 1 +
𝐴𝑓(ℎ+3)
105 , onde 𝐴𝑓 é a área do piso do compartimento [m²] e h é a altura do piso
habitável mais alto [m];
Para 𝛾𝑠1< 1, adota-se 𝛾𝑠1 = 1. Quando 𝛾𝑠1 > 1, adota-se 𝛾𝑠1 = 3;
𝛾𝑠2 fator que depende do risco de ativação do incêndio e determinado pela Tabela 7;
Tabela 7 - Valores de γs2 em função do risco de ativação do incêndio (r)
Fonte: ABNT NBR 15200 (2012).
Mesmo possuindo uma aferição maior na comparação do tempo requerido de resistência ao fogo da edificação, o método do tempo equivalente possui uma limitação em apresentar a redução do tempo em até 30 minutos quando comparado com o método tabular da NBR 14432:2001, na qual se for inferior a este valor o tempo que foi obtido não é aplicável.
2.5.2 Dimensionamento dos Elementos
Com o TRRF global da estrutura obtido através da NBR 14432:2001, é realizada a verificação isolado dos elementos estruturais através dos métodos fornecidos pela NBR 15200:2012 para situações de incêndio. Sendo assim, de acordo com NBR 15200:2012, essa verificação é feita apenas no estado-limite último (ELU), para combinação excepcional de incêndio, de acordo com a Equação 22.
𝐹𝑑,𝑓𝑖 = 𝛾𝑔𝐹𝑔𝑘+ 𝐹𝑞𝑒𝑥𝑐+ 𝛾𝑞∑ 𝛹2𝑗𝐹𝑞𝑗 𝑛
2
(22)
gs2 r Exemplos de ocupação
0,85 Pequena Escola, galeria de arte, parque aquático, igreja, museu
1,0 Normal
Biblioteca, cinema, correio, consultório médico, escritório, farmácia, frigorífico, hotel, livraria, hospital, laboratório fotográfico, indústrial de papel, oficina elétrica ou mecânica, resideência, restaurante, supermecado, teatro, depósitos (produtos farmacêuticos, bebidas alcoólicas, venda de acessórios de automóveis) e
depósitos em geral
1,2 Média Montagem de automóveis, hangar, indústria mecânica 1,5 Alta Laboratório químico, oficina de pintura de automóveis
Em que:
𝛾𝑔, 𝛾𝑞 fatores de ponderação indicados na NBR 6118:2014;
𝛹2𝑗 fator de redução indicado na NBR 6118:2014;
Nessa verificação, não é levado em consideração os esforços de deformações impostas. Desta forma, a verificação usual das estruturas em situação de incêndio pode ser simplificada para apenas uma equação, que se baseia na resistência dos materiais, assim como na capacidade dos elementos estruturais quando submetidos a elevadas temperaturas, conforme mostra a Equação 23 (ABNT NBR 15200, 2012). 𝑆𝑑,𝑓𝑖 = (𝛾𝑔𝐹𝑔𝑘+ 𝛾𝑞∑ 𝛹2𝑗𝐹𝑞𝑗𝑘 𝑛 2 ) ≤ 𝑅𝑑,𝑓𝑖[𝑓𝑐𝑘,𝜃𝑓𝑦𝑘,𝜃𝑓𝑝𝑦𝑘,𝜃 ] (23) Em que:
𝑆𝑑,𝑓𝑖 solicitações de cálculo em situação de incêndio;
Como uma forma de alternativa, as solicitações de cálculo em situações de incêndio (𝑆𝑑,𝑓𝑖), pode-se admitir como 70% das solicitações de cálculo em temperatura ambiente (𝑆𝑑), conforme indicado na Equação 24.
𝑆𝑑,𝑓𝑖 = 0,70𝑆𝑑 (24)
Dentre os métodos propostos pela NBR 15200:2012, serão aplicados neste estudo de caso, o método tabular e o método analítico para pilares.
2.5.2.1 Método Tabular – NBR 15200:2012
Segundo a NBR 15200:2012, no método tabular é preciso apenas atender as dimensões mínimas de cada elemento estrutural, de acordo com as exigências da NBR 6118:2014, e compará-lo como o TRRF global da estrutura que foi obtido conforme as indicações da NBR 14432:2001. Estas dimensões são: espessura das lajes, dimensões da seção transversal de pilares e vigas e o mais importante, a distância entre o eixo da armadura longitudinal mais próxima a face do concreto exposta ao fogo (c1) (Figura 7).
Figura 7 - Distância entre o eixo da armadura longitudinal e a face do concreto exposta ao fogo (c1) em vigas a) e lajes b)
Fonte: Adaptado da ABNT NBR (2012); Costa (2008).
Após inúmeros ensaios realizados pela NBR 15200:2012, foi comprovado que em situações de incêndio os elementos de concreto normalmente se rompem por flexão ou flexocompressão e não por cisalhamento. Portanto, em virtude desse tipo de ruptura, para esse método, se considera apenas a armadura longitudinal. Ressalta-se que, os valores de c1
mostrados nas tabelas são referentes apenas para armaduras passivas, no caso de armaduras ativas é feito outro tipo de consideração. A norma não permite que seja feita a consideração de revestimentos nas dimensões das seções transversais dos pilares e das lajes lisa ou cogumelo, já nos outros elementos não há nenhum tipo de restrição. Porém, apenas alguns tipos de revestimentos específicos que possuem resistência ao fogo e possuem uma boa aderência ao substrato como o gesso, a cal, a vermiculita ou até fibras podem ser utilizadas no cálculo do c1 (ABNT NBR 15200, 2012).
2.5.2.1.1 Vigas
A NBR 15200:2012 dispõe as Tabelas 8 e 9, na qual, estabelecem os valores da largura da base das vigas com seção constante (bmín), da largura da alma para vigas de seções variadas (bwmín), e dos valores de c1 das armaduras inferiores em função do TRRF. As duas tabelas mencionadas anteriormente foram elaboradas com a hipótese do aquecimento em três faces das
a)
vigas sob a laje. Para casos de vigas expostas as chamas nas suas quatro faces, a norma estabelece condições especificas (ABNT NBR 15200, 2012).
Como as bordas inferiores das vigas possuem uma concentração maior da temperatura, as vigas que possuem uma camada de armaduras e que sua largura não seja superior ao bmín como exposto na coluna 3 da Tabela 8 e na coluna 2 da Tabela 9, conforme o TRRF, o 𝑐1𝑙 (lateral) (Figura 7), deve-se acrescentar 10 mm do valor fornecido pela tabela (ABNT NBR 15200, 2012).
Tabela 8 - Dimensões mínimas para vigas biapoiadas
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 15200 (2012).
Tabela 9 - Dimensões mínimas para vigas contínuas ou vigas de pórticos
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 1500 (2012).
De acordo com a NBR 15200:2012, quando as vigas possuírem mais de uma camada em suas seções transversais, o c1será representado por c1m (distância média à face do concreto), onde, seu valor deve ser o menor de acordo com a Equação 25.
1
2
3
4
30
80/25
120/20
160/15
190/15
80
60
120/40
160/35
190/30
300/25
100
90
140/60
190/45
300/40
400/35
100
120
190/68
240/60
300/55
500/50
120
180
240/80
300/70
400/65
600/60
140
TRRF
min
Combinações de b
min/c
1mm/mm
b
wminmm
1 2 3 4 30 80/15 160/12 - - 80 60 120/25 190/12 - - 100 90 140/37 250/25 - - 100 120 190/45 300/35 450/35 500/30 120 180 240/60 400/50 550/50 600/40 140 bwmin mm TRRF min Combinações de bmin/c1 mm/mm∑ 𝑐1𝑣𝑖𝐴𝑠𝑖 𝐴𝑠𝑖 𝑐1𝑚 < (25) ∑ 𝑐1ℎ𝑖𝐴𝑠𝑖 𝐴𝑠𝑖 Em que:
𝑐1𝑣𝑖 é a distância da barra i, de área, ao fundo da viga;
𝑐1ℎ𝑖 é a distância da barra i, de área, à face lateral mais próxima;
2.5.2.1.2 Lajes
A NBR 15200:2012, fornece as Tabelas 10 a 15 que são utilizadas para a verificação das espessuras mínimas das lajes e as capas das lajes nervuradas, quando aquecidas em sua face inferior, assim como o valor de c1 das armaduras longitudinais inferiores.
Tabela 10 - Dimensões mínimas para lajes simplesmente apoiadas
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 15200 (2012).
Tabela 11 - Dimensões mínimas para lajes contínuas
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 15200 (2012).
ly/lx ≤ 1,5 1,5 < ly/lx ≤ 2 30 60 10 10 10 60 80 10 15 20 90 100 15 20 30 120 120 20 25 40 180 150 30 40 55 TRRF min h mm c1 mm
Laje armada em duas direções Laje armada em uma direção ly/lx > 2 30 60 10 60 80 10 90 100 15 120 120 20 180 150 30 TRRF min ha mm c1 b mm
Tabela 12 - Dimensões mínimas para lajes lisas ou cogumelo
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 15200 (2012).
Tabela 13 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas simplesmente apoiadas
Fonte: Adaptado da ABNT NBR 15200 (2012).
Tabela 14 - Dimensões mínimas para lajes nervuradas contínuas em pelo menos uma das bordas Fonte: ABNT NBR 15200 (2012). 30 150 10 60 180 15 90 200 25 120 200 35 180 200 45 TRRF min h mm c1 mm 1 2 3 30 80/15 - - 60/10 60 100/35 120/25 190/15 80/10 90 120/45 160/40 250/30 100/15 120 160/60 190/55 300/40 120/20 180 220/75 260/70 410/60 150/30 Nervuras Combinações de bmin/c1 a mm/mm Capa h/c1 mm/mm TRRF min 1 2 3 30 80/10 - - 60/10 60 100/25 120/15 190/10 80/10 90 120/35 160/25 250/15 100/15 120 160/45 190/40 300/30 120/20 180 310/60 600/50 - 150/30 Nervuras Combinações de bmin/c1 a mm/mm Capa h/c1 mm/mm TRRF min
