V
ERIFICAÇÃO DA
R
ESISTÊNCIA AO
F
OGO DE
E
STRUTURAS DE
B
ETÃO
COM
B
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M
ÉTODOS
S
IMPLIFICADOS DO
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–
P
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1-2
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ERNANDESRelatório de Projecto submetido para satisfação parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM ESTRUTURAS
Orientador: Professor Doutor Rui Manuel Carvalho Marques de Faria
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Editado por
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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -
2007/2008 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2008.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.
Aos meus Pais
Se todos fizéssemos as coisas que somos capazes, ficaríamos espantados connosco Thomas Edison
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Rui Faria pelo tema proposto, pela grande disponibilidade oferecida, por todos os esclarecimentos prestados e por todo o apoio e dedicação durante a execução deste trabalho.
Ao Professor Miguel Azenha pela sua disponibilidade e vontade de ajudar na compreensão e aplicação do programa de cálculo Diana, bem como na execução do programa de cálculo desenvolvido neste trabalho.
À Mónica Mota pela ajuda prestada no desenvolvimento do algoritmo de cálculo para aplicação dos métodos simplificados. O aspecto gráfico do programa deve-se à sua colaboração.
A todos aqueles que, embora não tenham sido referidos, me apoiaram e ajudaram durante a execução deste trabalho, de uma forma mais directa ou indirecta.
RESUMO
A acção do fogo aumenta a temperatura dos elementos estruturais, causando diminuição da resistência e rigidez dos materiais, e esforços adicionais nas estruturas hiperestáticas, induzidos pelas deformações térmicas. Em situação de incêndio, as estruturas devem atender a um tempo mínimo de resistência ao incêndio (normalizado) requerido por legislação, a fim de garantir a minimização de prejuízos.
O Eurocódigo 2 - Parte 1-2 apresenta três métodos simplificados de verificação de segurança ao fogo de estruturas de betão armado contraventadas: Método Tabular, Método das Zonas e Método da Isotérmica dos 500ºC.
O objectivo deste trabalho centrou-se na compreensão da evolução das temperaturas no interior dos elementos e na aplicação e comparação dos vários métodos simplificados propostos pelo Eurocódigo 2. Para facilitar o procedimento, desenvolveu-se um algoritmo de cálculo com recurso ao programa Diana, que permite rapidamente obter perfis de temperatura de secções bem como aplicar o Método das Zonas e da Isotérmica dos 500ºC.
Na fase final do trabalho verificou-se a segurança ao fogo de uma estrutura através do método de análise mais adequado.
ABSTRACT
Fire increases the temperature in structural elements, reducing the material resistance and stiffness and introducing additional loads in restricted structures due to thermal deformations. The structures should verify a minimal time resistance imposed by legislation in fire situation (normalized fire), to ensure minimal damage.
The Eurocode 2 – Part 1-2 presents three simplified methods for verifying standard fire resistance of braced concrete structures: Tabulated Data, Zone Method and 500ºC Isotherm Method.
This study was focused in comprehension of temperature evolution in the interior of the elements, and in application and evaluation of the diverse simplified methods proposed by Eurocode 2. To make the procedure easier, was performed a calculation algorithm based on Diana program, that determines temperature profiles and applies Zone Method and 500ºC Isotherm Method in a faster way.
In the end of this job was verified a concrete structure safety with the most adequate methodology.
ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... iii ABSTRACT ... v
1. INTRODUÇÃO
... 12. ACÇÃO DO FOGO
... 3 2.1.ASPECTOS GERAIS ... 3 2.2.MODELAÇÃO DO FOGO ... 4 2.2.1.CURVAS NOMINAIS ... 4 2.2.2. CURVAS PARAMÉTRICAS ... 7 2.3.CONDIÇÕES REGULAMENTARES ... 8 2.3.1.EVOLUÇÃO DA REGULAMENTACÃO ... 8 2.3.2. EXIGÊNCIAS REGULAMENTARES ... 9 2.3.2.1. RSCI ... 9 2.3.2.2. RG/SCIE ... 123. PROPRIEDADES TÉRMICAS E MECÂNICAS DOS
MATERIAIS
... 15 3.1.BETÃO ... 15 3.1.1.EFEITO DA TEMPERATURA ... 16 3.1.1.1. Água ... 16 3.1.1.2. Agregados ... 17 3.1.1.3. Pasta de cimento ... 18 3.1.1.4. Betão ... 183.1.2.CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS E TÉRMICAS DO BETÃO ... 19
3.1.2.1. Betão à compressão - Relações tensões-extensões ... 19
3.1.2.2. Betão à tracção - Relações tensões-extensões ... 21
3.1.2.3. Calor específico ... 21
3.1.2.4. Condutividade térmica ... 22
3.2.AÇO ... 23
3.2.1.EFEITO DA TEMPERATURA ... 23
3.2.2.CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS E TÉRMICAS DO AÇO ... 24
3.2.2.1. Resistência à tracção - Relações tensões-extensões... 24
3.2.2.2. Calor específico ... 27
3.2.2.3. Condutividade térmica ... 28
3.2.2.4. Extensão térmica ... 28
4. METODOLOGIAS SIMPLIFICADAS DE ANÁLISE AO
FOGO
... 294.1.ACÇÕES EM ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 29
4.2.MÉTODOS DE VERIFICAÇÃO DE SEGURANÇA ... 31
4.2.1.SIMPLIFICAÇÃO NO CÁLCULO DE ESFORÇOS ... 33
4.2.2.APRESENTAÇÃO DOS MÉTODOS ... 34
4.2.2.1. Método Tabular... 35
4.2.2.2. Método da Isotérmica dos 500ºC ... 38
4.2.2.3. Método das Zonas ... 39
4.2.2.4. Programa de cálculo desenvolvido... 44
5. PERFIS DE TEMPERATURA
... 515.1.PILARES ... 52
5.2.VIGAS ... 54
5.3.LAJES ... 56
5.4.CONCLUSÕES ... 57
6.
EXEMPLOS
DE
APLICAÇÃO
DOS
MÉTODOS
SIMPLIFICADOS
... 596.1.VIGAS SUJEITAS A MOMENTOS POSITIVOS ... 59
6.1.1.DEFINIÇÃO DOS EXEMPLOS A ESTUDAR ... 60
6.1.2.ESFORÇOS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 61
6.1.3.MÉTODO TABULAR ... 62
6.1.4.MÉTODO DAS ZONAS ... 64
6.1.6.ANÁLISE DOS RESULTADOS E COMPARAÇÃO DOS VÁRIOS MÉTODOS ... 69
6.2.VIGAS SUJEITAS A MOMENTOS NEGATIVOS ... 70
6.2.1.DEFINIÇÃO DOS EXEMPLOS A ESTUDAR ... 71
6.2.2.ESFORÇOS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 71
6.2.3.MÉTODO TABULAR ... 72
6.2.4.MÉTODO DAS ZONAS ... 72
6.2.5.MÉTODO DA ISOTÉRMICA DOS 500ºC ... 73
6.2.6.ANÁLISE DOS RESULTADOS E COMPARAÇÃO DOS VÁRIOS MÉTODOS ... 73
6.3.LAJES SUJEITAS A MOMENTOS POSITIVOS ... 74
6.3.1.DEFINIÇÃO DOS EXEMPLOS A ESTUDAR ... 74
6.3.2.ESFORÇOS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 74
6.3.3.MÉTODO TABULAR ... 74
6.3.4.MÉTODO DAS ZONAS ... 75
6.3.5.MÉTODO DA ISOTÉRMICA DOS 500ºC ... 76
6.3.6.ANÁLISE DOS RESULTADOS E COMPARAÇÃO DOS VÁRIOS MÉTODOS ... 76
6.4.PILARES SUJEITOS A ESFORÇO AXIAL APENAS ... 77
6.4.1.DEFINIÇÃO DOS EXEMPLOS A ESTUDAR ... 77
6.4.2.ESFORÇOS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 77
6.4.3.MÉTODO TABULAR ... 78
6.4.4.MÉTODO DAS ZONAS ... 79
6.4.5.MÉTODO DA ISOTÉRMICA DOS 500ºC ... 80
6.4.6.ANÁLISE DOS RESULTADOS E COMPARAÇÃO DOS VÁRIOS MÉTODOS ... 80
6.5.PILARES SUJEITOS A ESFORÇO AXIAL E A MOMENTOS NUMA DIRECÇÃO ... 81
6.5.1.DEFINIÇÃO DOS EXEMPLOS A ESTUDAR ... 81
6.5.2.ESFORÇOS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 82
6.5.3.MÉTODO TABULAR ... 82
6.5.4.MÉTODO DAS ZONAS ... 83
6.5.5.MÉTODO DA ISOTÉRMICA DOS 500ºC ... 84
6.5.6.ANÁLISE DOS RESULTADOS E COMPARAÇÃO DOS VÁRIOS MÉTODOS ... 84
7. ANÁLISE DE UM ESTRUTURA
... 877.1.DESCRIÇÃO DO EDIFÍCIO ... 87
7.1.1.1. Cargas permanentes ... 88
7.1.1.2. Sobrecargas ... 88
7.1.2.DEFINIÇÃO DOS MATERIAIS UTILIZADOS ... 88
7.1.3.DEFINIÇÃO DAS EXIGÊNCIAS AO FOGO ... 88
7.2.CÁLCULO DAS ACÇÕES EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO ... 88
7.2.1.LAJES ... 89
7.2.2.VIGAS ... 89
7.2.2.1. Momentos positivos ... 90
7.2.2.2. Momentos negativos ... 90
7.2.3.PILARES ... 90
7.3.CÁLCULO DA RESISTÊNCIA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO PELO MÉTODO DAS ZONAS ... 91
7.3.1.LAJES ... 91 7.3.2.VIGAS ... 91 7.3.2.1. Momentos positivos ... 92 7.3.2.2. Momentos negativos ... 93 7.3.3.PILARES ... 94 7.3.3.1. Pilar P1 ... 94 7.3.3.2. Pilar P2 ... 95 7.4.CONCLUSÃO ... 95
8. CONCLUSÕES
... 97 8.1.CONCLUSÕES GERAIS ... 97 8.2.RECOMENDAÇÕES ... 99 8.3.TRABALHO FUTURO ... 1009. BIBLIOGRAFIA
... 1011
INTRODUÇÃO
Os requisitos que as estruturas têm de cumprir têm-se vindo a tornar cada vez mais exigentes, sendo necessário verificar o desempenho destas a solicitações cada vez mais complexas. Só desta forma é possível garantir que uma estrutura seja segura, tenha uma boa resposta e um aspecto agradável em fase de utilização durante a correspondente vida útil, e os menores custos de manutenção possíveis. Normalmente as acções consideradas no dimensionamento dizem respeito a acções permanentes (peso próprio) e a acções variáveis (sobrecargas, sismos, vento, neve) que tentam reflectir todo o tipo de acções a que uma estrutura pode estar sujeita durante a sua vida útil. Com o aumento das exigências, actualmente torna-se necessário acrescentar mais acções às anteriores, normalmente resultantes de situações acidentais, sendo uma delas a acção do fogo.
O aumento de importância da acção do fogo deve-se ao aumento do número de incêndios importantes em estruturas, provocando não só elevados estragos como também inúmeras mortes de utilizadores das mesmas. De facto, estudos apontam que em países desenvolvidos, o número de mortes por milhão de pessoas por ano devido a incêndios seja de 10 a 20, o que equivale a um total de cerca de 150 mortes por ano em Portugal. Para além disto, os custos inerentes aos estragos materiais também são bastante elevados, quer em termos da estrutura danificada, quer em termos dos valores existentes no interior (como por exemplo em grandes armazéns e escritórios).
As formas de conseguir diminuir os efeitos nas estruturas da acção do fogo consistem em implementar regulamentação de segurança contra incêndio (não só aumentando o número de regulamentos mas também aumentando as exigências de cada um), melhorar e adaptar cada vez mais a brigada de combate a incêndios para incêndios em estruturas (incêndios urbanos) e melhorar o comportamento dos utilizadores das estruturas no caso de uma situação de incêndio.
A acção do fogo consiste, de uma forma simplificada, numa variação de temperatura dos elementos que a constituem. Deste facto resulta a ocorrência de dilatações térmicas (podendo provocar esforços consideráveis em estruturas hiperestáticas) e a alteração das propriedades dos materiais constituintes desses elementos. As alterações das propriedades dos materiais ocorrem a nível físico e químico, provocando uma degradação das mesmas em função da temperatura atingida, que resultam numa diminuição da capacidade resistente dos elementos, podendo originar a ruína da estrutura.
Com este trabalho pretende-se avaliar o comportamento e a resistência de estruturas de betão armado em situação de incêndio, utilizando para tal métodos simplificados de verificação da segurança.
No Eurocódigo 2, Parte 1-2, os referidos métodos são três: o Método Tabular, o Método das Zonas e o Método da Isotérmica dos 500ºC. O Método Tabular é um método de rápida aplicação mas pouco sofisticado. Os Métodos das Zonas e da Isotérmica dos 500ºC baseiam-se em perfis de temperatura
que se desenvolvem nas secções de betão armado sob a acção de um incêndio normalizado (Incêndio Padrão), sendo apresentados no Eurocódigo 2, Parte 1-2, apenas alguns exemplos desses perfis.
Neste trabalho expõem-se os procedimentos seguidos por cada um dos métodos, e são analisados diferentes elementos estruturais, verificando qual o método mais adequado em cada caso. De modo a facilitar a aplicação dos métodos foi desenvolvido um programa de cálculo para aplicação dos Métodos das Zonas e da Isotérmica dos 500ºC.
Antes da aplicação dos referidos métodos procedeu-se à validação e compreensão de alguns dos perfis de temperaturas fornecidos no Eurocódigo 2, Parte 1-2, realizando-se para tal análises térmicas em situação de incêndio com recurso ao algoritmo computacional DIANA. Os perfis de temperatura dos exemplos estudados no presente trabalho foram também obtidos com recurso a este algoritmo.
Na fase final do trabalho, analisou-se uma estrutura recorrendo ao método mais adequado de análise para os elementos, verificando se a segurança à acção do fogo é satisfeita.
2
ACÇÃO DO FOGO
2.1.ASPECTOS GERAIS
O fogo é entendido como uma mistura de gases a altas temperaturas. Esta mistura resulta de um processo químico denominado por oxidação, caracterizado por ser uma reacção fortemente exotérmica, de onde resulta libertação de calor, luz e gases. Para que esta reacção ocorra, é necessário que estejam reunidos os seguintes elementos:
• Combustível – Componente inflamável, sendo normalmente um elemento orgânico;
• Comburente – Elemento capaz de oxidar o combustível, como o oxigénio;
• Fonte de ignição – Fonte de calor capaz de fornecer energia suficiente para iniciar a reacção. Estes três elementos são designados por triângulo do fogo (ver Figura 2.1). Após se iniciar a reacção, o fogo liberta a energia necessária para se propagar para os elementos combustíveis circundantes.
Figura 2.1 – Triângulo do fogo
O desenvolvimento de um incêndio é caracterizado por uma curva típica denominada curva de incêndio natural, onde se observam as seguintes fases (ver Figura 2.2):
• Inicial ou de ignição – caracterizada por temperaturas baixas (não influenciando o comportamento estrutural das estruturas), pela libertação de gases tóxicos (fase crítica para o risco das vidas humanas) e pela entrada em funcionamento dos dispositivos de prevenção activa instalados.
• Propagação – ocorre após uma inflamação súbita dos gases denominada por flashover, provocando um incêndio generalizado a todo o compartimento. Esta inflamação ocorre normalmente para temperaturas da ordem dos 450ºC aos 600ºC. Após o flashover ocorre um aumento rápido das temperaturas.
• Desenvolvimento pleno – durante esta fase ocorre a combustão do material combustível, sendo caracterizada por temperaturas constantes. Esta fase depende fundamentalmente da carga de incêndio (quantidade de combustível existente no compartimento) e da ventilação na zona em causa (quantidade de oxigénio disponível), sendo denominado incêndio controlado pela carga de incêndio quando a combustão se encontra limitada devido à quantidade de combustível presente, e controlado pela ventilação quando as aberturas da ventilação limitam a quantidade de oxigénio disponível.
• Extinção ou arrefecimento – caracterizada pela insuficiência de combustível ou oxigénio ou pela intervenção de agentes exteriores, provocando uma diminuição progressiva das temperaturas.
Figura 2.2 – Curva de incêndio natural
2.2.MODELAÇÃO DO FOGO
A modelação da acção do fogo consiste em obter uma aproximação à curva de incêndio natural, sendo que, devido à diversidade de situações de incêndio possíveis, a definição de uma curva adequada para a verificação de segurança das estruturas em relação ao fogo é bastante difícil.
Os regulamentos apresentam expressões simples capazes de traduzir a evolução da temperatura dos gases no compartimento de incêndio em função do tempo, dividindo as curvas em dois tipos:
• Curvas Nominais;
• Curvas Paramétricas.
2.2.1.CURVAS NOMINAIS
As curvas nominais são curvas de incêndio que não dependem da dimensão ou do tipo de edifício. Existem três curvas nominais (ver Figura 2.3):
1.Curva de Incêndio para Elementos Exteriores – para estruturas resistentes no exterior do edifício.
(
( 0,32 ) ( 3,8 ))
313 , 0 687 , 0 1 660 20 ) (t = + × − ×e − ×t − ×e − ×tθ
(2.1)2.Curva de Incêndio Padrão ISO 834 – para incêndios de materiais celulósicos.
(
8
1
,
1
)
log
345
20
)
(
t
=
+
×
×
t
+
θ
(2.2)3.Curva de Incêndio de Hidrocarbonetos – para incêndios com presença de hidrocarbonetos.
(
( 0,167 ) ( 2,5 ))
675 , 0 325 , 0 1 1080 20 ) (t = + × − ×e − ×t − ×e − ×tθ
(2.3)sendo t o tempo em minutos e
θ
a temperatura em ºC.Figura 2.3 – Curvas de incêndio nominais:
1-Curva de incêndio de elementos exteriores; 2-Curva de incêndio padrão;
3- Curva de incêndio de hidrocarbonetos.
Analisando a Figura 2.3 verifica-se que a curva de elementos exteriores é menos severa que as restantes duas curvas, pois a colocação da estrutura resistente no exterior do edifício permite que não haja contacto directo com o incêndio. Verifica-se também um rápido aumento inicial para a curva de hidrocarbonetos quando comparada com as outras duas, devendo-se isso ao facto de os hidrocarbonetos serem altamente inflamáveis.
Comparando a curva de incêndio padrão com a curva de incêndio natural (Figura 2.4) verifica-se que são bastante diferentes. De facto, observa-se que a curva padrão apenas se considera quando os elementos estruturais são afectados, ocorrendo isto depois do flashover.
Figura 2.4 – Comparação entre a curva de incêndio natural e a curva de incêndio padrão
Para além disto verifica-se que a curva de incêndio padrão é sempre crescente no tempo, ao contrário da curva de incêndio natural, ficando a estrutura submetida a temperaturas muito elevadas até tempos infinitos. Esta hipótese deve ser bem ponderada porque na realidade a maior parte das estruturas atinge a ruína na fase de arrefecimento que não é considerada na curva padrão. Isto deve-se ao facto de durante o incêndio, as temperaturas elevadas causarem dilatação dos elementos e aumento da ductilidade dos materiais. Quando o incêndio entra em fase de arrefecimento, as temperaturas diminuem, provocando uma diminuição rápida da ductilidade dos materiais. Ao mesmo tempo, os materiais tendem a retrair por efeito de diminuição de temperatura, tendendo a estrutura a impedir esses movimentos pois nessa fase possuem menor ductilidade, podendo provocar a ruína de certos elementos (geralmente pilares – ver Figura 2.5).
A curva de incêndio padrão é usada em ensaios experimentais em fornalha permitindo a determinação da resistência estrutural de elementos em relação ao fogo. Embora estas experiências tenham reduzida validade física, a curva padrão permite uniformizar e comparar ensaios experimentais efectuados em diversos locais no mesmo país ou em países diferentes.
Convém referir que nenhuma das três curvas apresentadas anteriormente é uma curva real, pretendendo apenas modelar a acção do fogo. As curvas servem de base para definir o conceito de
resistência ao fogo regulamentar, sendo que os regulamentos de segurança contra incêndio adoptam
normalmente a curva de incêndio padrão para definir essa resistência com base no tempo em que os elementos estruturais conseguem desempenhar as suas funções quando sujeitos ao incêndio padrão.
2.2.2.CURVAS PARAMÉTRICAS
As curvas paramétricas são também curvas que apresentam a evolução da temperatura ao longo do tempo (ver Figura 2.6), mas que entram em consideração com factores físicos como por exemplo:
• Densidade de carga de incêndio – quanto maior a carga de incêndio maior a duração do incêndio;
• Condições de ventilação – dependente da geometria, dimensão e distribuição das aberturas do compartimento, sendo que quanto maior a ventilação, mais rápidos e severos serão os incêndios;
• Propriedades dos elementos envolventes do compartimento – paredes que absorvem energia limitam a temperatura do incêndio.
Figura 2.6 – Exemplos de curvas paramétricas
Estas curvas aproximam-se melhor da realidade pois entram em consideração com as propriedades do edifício e incluem a fase de arrefecimento.
2.3.CONDIÇÕES REGULAMENTARES
2.3.1.EVOLUÇÃO DA REGULAMENTAÇÃO
A regulamentação de incêndios tem vindo a aumentar cada vez mais nestes últimos anos. Em Portugal, apenas em 1988, após o grande incêndio dos Armazéns do Chiado na Baixa de Lisboa, é que se começou a prestar mais atenção à segurança contra incêndios. É nesta altura que surge o Regulamento de Segurança Contra Incêndios (RSCI) [8], tendo como critérios gerais de segurança a preservação da vida humana, do ambiente, do património cultural e dos meios essenciais à continuidade de actividades sociais relevantes. Como forma de verificar estes critérios, o RSCI inclui disposições que permitem:
• Reduzir a probabilidade de ocorrência de incêndios;
• Limitar a propagação do fogo e fumos quer no interior da construção, quer para o exterior;
• Facilitar a evacuação segura dos ocupantes;
• Facilitar a intervenção dos meios de socorro;
• Garantir a estabilidade da estrutura durante um determinado período de tempo suficiente para garantir uma evacuação segura.
No que diz respeito à estabilidade da estrutura, o RSCI define classes de resistência ao fogo em função da altura do edifício, da sua tipologia e do risco de incêndio local, independentemente dos materiais utilizados.
Recentemente, verifica-se que o RSCI apresenta alguns problemas entre os quais se destacam a não cobertura de algumas utilizações de edifícios (como é o caso de lares de idosos, museus, bibliotecas, igrejas, entre outros), incoerência ao adoptar várias soluções para o mesmo problema em função da tipologia do edifício e tratar-se de um regulamento volumoso, repetitivo (devido à separação por diversas tipologias) e de manuseamento e interpretação difícil.
Para colmatar estes problemas encontra-se no presente um substituto do RSCI em processo final de avaliação, denominado Regulamento Geral de Segurança Contra Incêndio em Edifícios (RG/SCIE) [9]. Esta actualização vai permitir incluir a regulamentação num diploma apenas, diminuindo assim o volume e facilitando o manuseamento. São introduzidos também quase a totalidade das tipologias de edifícios, só não sendo aplicável a casos especiais que justifiquem regime próprio. Introduz um novo parâmetro relativo à exploração e gestão durante a vida útil do edifício, que reflecte o facto de muitas vezes as medidas serem respeitadas aquando a execução do edifício e depois serem deixadas ao abandono (falta de manutenção) ou vandalizadas, não sendo tomadas medidas de reparação/manutenção dos equipamentos/instalações. No que diz respeito às estruturas, nomeadamente de betão armado, não são grandes as alterações nas exigências aplicáveis, como se poderá verificar mais à frente.
Para as estruturas, ambos os regulamentos indicam classes de resistência a verificar e não indicam procedimentos de avaliar a conformidade dos elementos, neste caso elementos estruturais. Estes procedimentos não se encontram actualmente regulamentados dado que nem o Regulamento de Segurança e Acções (RSA) [7] quantifica a acção do fogo, nem o Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado (REBAP) [6] define os estados limites a considerar ou métodos que permitam efectuar a avaliação ao fogo. Em termos nacionais, deve ser consultada literatura especializada no tema, de onde se destaca um documento emitido pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) de 1990 [15] com recomendações de um processo simplificado de cálculo, bem como de tabelas de verificação rápida de segurança ao fogo. Ambos os processos baseiam-se em estudos
experimentais e em documentos estrangeiros, mas com o cuidado de harmonizar o conteúdo com os critérios gerais de segurança presentes na regulamentação portuguesa.
Entre os documentos estrangeiros, destacam-se os Eurocódigos, que consistem em normas europeias (um total de 10 normas numeradas de 0 a 9, sendo cada uma constituída por diversas partes) que pretendem uniformizar a regulamentação relativa às estruturas em território europeu. Nestes Eurocódigos verifica-se que é dada bastante relevância à acção do fogo sendo que cerca de 10% de cada Eurocódigo é dedicado especialmente à verificação da segurança em relação aos incêndios. Para o caso do betão armado, destacam-se os seguintes Eurocódigos:
• Eurocódigo 2, Parte 1-2 – Cálculo Estrutural ao Fogo, onde se estabelecem as regras para o cálculo de estruturas de betão armado e pré esforçado em situação de incêndio e se definem as propriedades térmicas e mecânicas dos materiais em função da temperatura;
• Eurocódigo 1, Parte 1-2 – Acções em Estruturas Sujeitas a Incêndio, onde se faz a caracterização das acções térmicas.
Estes dois Eurocódigos incluem regras capazes de diminuir os efeitos da acção do fogo, pretendendo submeter a estrutura a condições semelhantes às condições de um incêndio real e permitindo avaliar a resposta e o estado de segurança da mesma.
2.3.2.EXIGÊNCIAS REGULAMENTARES
2.3.2.1. RSCI
No que diz respeito a elementos estruturais, o RSCI define classes de resistência ao fogo de elementos que consistem num indicador da capacidade dos elementos desempenharem as suas funções em caso de incêndio. Este indicador baseia-se na avaliação do tempo que decorre entre o início de um processo térmico normalizado (curva de incêndio padrão, por exemplo) e o instante em que o elemento deixa de satisfazer uma das exigências definidas no RSCI. As exigências a respeitar são:
• Estabilidade – para elementos com função de suporte apenas (como pilares e vigas), deixando de ser cumprida quando o elemento deixa de ser capaz de resistir às acções de dimensionamento. Denomina-se o elemento por Estável ao Fogo, sendo representado pelo símbolo EF.
• Estanqueidade – para elementos de compartimentação (como paredes divisórias e lajes), quando durante o incêndio, na face do elemento não exposta ao fogo, não se verifique emissão de chamas ou gases inflamáveis, seja por atravessamento, seja por produção local devida à elevação de temperatura. O elemento é qualificado como Pára-Chamas traduzido pelo símbolo PC.
• Isolamento Térmico – para elementos de compartimentação, se o elemento não atingir determinados limites de temperatura na face não exposta ao fogo. Designa-se o elemento por Corta-Fogo e qualifica-se com o símbolo CF.
A qualificação de um elemento pode requerer mais do que uma exigência tal como se mostra na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Exigências requeridas para um elemento em função da sua qualificação Exigência
Qualificação Estabilidade Estanqueidade Isolamento Térmico
EF – Estável ao Fogo Sim Não Não
PC – Pára-Chamas Sim Sim Não
CF – Corta-Fogo Sim Sim Sim
A cada uma das qualificações deve estar associado um dos 9 escalões de tempo (em minutos), arredondando por defeito o tempo de resistência, indicados na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Escalões de tempo Escalões de Tempo (minutos)
15 30 45 60 90 120 180 240 360
Sendo assim, um elemento PC60 deve satisfazer cada uma das exigências de estabilidade e de estanquidade durante 60 minutos pelo menos, com um máximo de 89 minutos (caso resistisse durante 90 minutos às duas exigências passaria a designar-se por PC90).
Neste trabalho apenas será abordado o critério de estabilidade.
A fixação dos escalões de tempo também está exposta neste regulamento, em função de factores dependentes do edifício. Esses factores são:
• Altura do edifício – quanto mais alto o edifício, maior é o tempo necessário para evacuação do mesmo, logo maiores as exigências aos elementos estruturais;
• Utilização do edifício – actividade desenvolvida e quantidade de materiais combustíveis no interior do edifício;
• Forma do edifício – quanto maior a compartimentação, maior será o confinamento do fogo. Na Tabela 2.3 apresentam-se resumidas as exigências presentes no regulamento, em função dos factores anteriores, relativas à estabilidade ao fogo.
Tabela 2.3 – Exigências de resistência ao fogo H – altura do edifício;
N – número de pisos.
Classificação Especificação Exigência
Edifícios de Habitação unifamiliares H < 9 EF30
Edifícios de Habitação de altura não superior a 28m 9 < H < 28 EF60
Edifícios de Habitação de altura superior a 28m H > 28m EF90
Estabelecimentos comerciais
H < 9 EF30
9 <H < 28 EF60
H > 28m EF90
Edifícios de Serviços Públicos - -
Parques de estacionamento cobertos ocupando a totalidade do edifício
N < 2 EF30
N = 2 EF60
N > 2 EF90
Parques de estacionamento cobertos ocupando a parte inferior do edifício
H < 9 EF90
9 < H < 28 EF120
H > 28m EF180
Empreendimentos turísticos e estabelecimentos de restauração e de bebidas
H < 9 EF30
9 < H < 28 EF60
H > 28m EF90
Edifícios do tipo hospitalar
H < 9 EF30
9 < H < 28 EF60
H > 28m EF90
H > 60 EF120
Edifícios do tipo administrativo
H < 9 EF30 9 < H < 28 EF60 H > 28m EF90 H > 60 EF120 Edifícios escolares H < 9 EF30 9 < H < 28 EF60 H > 28m EF90 H > 60 EF120
2.3.2.1. RG/SCIE
Como já foi referido, este regulamento pretende substituir o RSCI, apresentando-se mais completo e organizado.
Apresenta as exigências de forma semelhante ao RSCI, baseando-se em vários factores para definir as classes de resistência. Inicialmente, o RG/SCIE faz uma separação dos edifícios em função da sua utilização tipo, dividindo os edifícios num total de 12 tipos de utilização diferentes (por exemplo habitacionais, estacionamentos, administrativos, desportivos e lazer, bibliotecas e arquivos, entre outros). De seguida, separa os locais em função do risco de incêndio, com um total de 6 locais de risco ordenados de A a F sendo o local de risco A o de menor grau de risco. Define também factores de classificação do risco sendo eles os seguintes:
• Altura da utilização tipo;
• Efectivo (número máximo de pessoas presente);
• Área bruta;
• Número de pisos abaixo do plano de referência;
• Espaço coberto ou ao ar livre;
• Saída independente (directa ao exterior e ao nível do plano de referência) de locais tipo D ou E (tipo D são locais de presença de pessoas de mobilidade ou percepção reduzidas e tipo E são locais de dormida, em estabelecimento, que não caibam na definição de local de risco D);
• Densidade ou carga de incêndio modificada.
Como para cada utilização tipo podem não ser importantes todos os factores, na Tabela 2.4 apresenta-se um esquema daqueles que deverão apresenta-ser considerados.
Tabela 2.4 – Factores de classificação do risco em função da utilização tipo
Utilização tipo I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Hab Est Adm Escol Hosp Espe Hotel Com Desp Mus Bibl Indu
Altura X X X X X X X X X X X Área bruta X Saída directa ao exterior – locais D, E X X X Coberto/ar livre X X X X Efectivo total X X X X X X X X X Efectivo locais D, E X X X Nº pisos abaixo do plano referência X X X X X X X Carga de incêndio X Densidade de carga de incêndio X
Analisando a tabela verifica-se que a altura e o efectivo total são os dois factores mais influentes para a totalidade das utilizações tipo.
Em função dos factores de risco para cada utilização tipo definem-se então as categorias de risco para cada utilização tipo. Existem 4 categorias de risco, sendo a categoria 4 a mais gravosa. Em cada caso, a categoria associada é a mais baixa a respeitar todos os critérios indicados. Definem-se apenas as 3 primeiras categorias e se o edifício não respeitar todos os factores de risco é porque se insere na
categoria 4. As tabelas seguintes apresentam a classificação das categorias de risco para algumas utilizações tipo.
Tabela 2.5 – Categorias de risco para utilização tipo I - Habitacionais Categoria
Valores máximos referentes à utilização tipo I
Altura da UT I Número de pisos ocupados
pela UT I abaixo do plano de
1ª 9 m 1
2ª 28 m 3
3ª 50 m 5
Tabela 2.6 – Categorias de risco para utilização tipo VII – Hoteleiros e similares Categoria
Valores máximos referentes à utilização tipo VII Locais de risco E com saídas independentes directas ao exterior no plano de referência Altura da UT VII
Efectivo da UT VII Efectivo total locais de risco E Efectivo em
1ª 9 m 100 50 Aplicável a todos
2ª 9 m 500 200 Não aplicável
3ª 28 m 1 500 800 Não aplicável
Tabela 2.7 – Categorias de risco para utilização tipo VIII – Comerciais e gares de transportes Categoria
Valores máximos referentes à utilização tipo VIII Altura da UT VIII
Número de pisos ocupados pela UT VIII abaixo do plano
de referência
Efectivo da UT VIII
1ª 9 m 0 100
2ª 9 m 1 1 000
3ª 28 m 2 5 000
Conhecendo a categoria de risco e a utilização tipo é possível determinar a classe de resistência ao fogo das estruturas. A Tabela 2.8 resume essas exigências.
Tabela 2.8 – Categorias de risco para utilização tipo VIII – Comerciais e gares de transportes
Utilizações tipo Categorias de Risco Função do elemento
1ª 2ª 3ª 4ª
I, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX e X
R 30 R 60 R 90 R 120 Apenas suporte REI 30 REI 60 REI 90 REI 120 Suporte e compartimentação II, XI e XII R 60 R 90 R 120 R 180 Apenas suporte
REI 60 REI 90 REI 120 REI 180 Suporte e compartimentação
Analisando a tabela, verifica-se que aparecem novas siglas nas exigências. Cada letra corresponde a uma das exigências definidas no RSCI e os números correspondem ao escalão de tempo que deve ser satisfeito. A letra R equivale à exigência de estabilidade, a letra E à estanqueidade e a letra I ao isolamento térmico. Assim sendo, a qualificação de EF é designada neste regulamento por R, a qualificação PC corresponde a RE e a qualificação CF corresponde a REI para elementos estruturais. Na tabela pode observar-se que as utilizações tipo II, XI e XII, correspondentes a estacionamentos, bibliotecas e indústrias respectivamente, possuem exigências de resistência ao fogo superiores às restantes. Estes locais apresentam cargas de incêndio elevadas normalmente (presença de carros, armários com livros ou equipamentos industriais), o que origina a maiores riscos de incêndio e, consequentemente, a maiores exigências.
Comparando as exigências deste regulamento com as do RSCI, verifica-se que as diferenças para os elementos estruturais são praticamente as mesmas, embora com algumas diferenças em certos casos.
3
PROPRIEDADES
TÉRMICAS
E
MECÂNICAS DOS MATERIAIS
Este capítulo descreve as propriedades térmicas e mecânicas do betão e do aço a altas temperaturas, de acordo com o articulado do Eurocódigo 2, Parte 1-2. Assim, em situação de incêndio as propriedades mecânicas de cálculo dos materiais, Xd,fi, são definidas a partir das correspondentes propriedades
(valores característicos) à temperatura ambiente, Xk, através de expressões do tipo:
fi M k fi d X k X , ,
γ
θ × = (3.1)sendo kθ o factor de redução das propriedades de resistência ou deformação (depende da temperatura do material) e
γ
M ,fi o factor de segurança parcial do material para a situação de incêndio.Em situação de incêndio os factores parciais de segurança para as resistências do aço e do betão são iguais a 1. Este valor, embora baixo, resulta de a situação de incêndio corresponder a uma acção de acidente, logo com uma probabilidade de ocorrência muito reduzida. Assim sendo a expressão anterior passa a representar-se da seguinte forma:
k fi
d k X
X , = θ × (3.2)
No que diz respeito às propriedades térmicas, apesar de ser um material compósito o betão é considerado como um material isotrópico, caracterizado pelo calor específico e pela condutividade térmica. A determinação da evolução de temperaturas nas secções de betão armado durante um incêndio necessita de uma correcta definição destas propriedades térmicas.
Nos pontos seguintes apresentam-se as variações das propriedades mecânicas e térmicas do betão e do aço com o aumento da temperatura.
3.1.BETÃO
O betão é um material capaz de garantir um bom comportamento em caso de incêndio (ver Figura 3.1). Este bom comportamento deve-se ao facto de o betão não arder (não se acrescentando à carga de incêndio), não produzir fumo ou gases tóxicos (reduzindo o risco de vida aos ocupantes da estrutura), não libertar partículas capazes de gerar novos pontos de incêndio e ser mau condutor de calor (o aumento da porosidade do betão diminui a velocidade de aumento de temperatura na secção e o seu volume permite armazenar elevadas quantidades de calor).
Figura 3.1 – Exemplo do comportamento do betão ao fogo
Por ser mau condutor de calor, o betão garante uma boa protecção ao fogo entre compartimentos adjacentes. Esta propriedade também permite que o próprio betão e as armaduras nele contidas fiquem menos expostas à acção do fogo, pois as temperaturas no interior do betão são significativamente mais baixas do que nas faces expostas ao fogo.
Para além do bom comportamento ao fogo, é conhecido que o betão apresenta boas características em termos de resistência mecânica, protecção térmica e protecção acústica, associadas a uma elevada facilidade de moldagem (Figura 3.2).
Figura 3.2 – Principais características do betão
Apesar do excelente comportamento ao fogo, o betão perde gradualmente as suas características resistentes com o aumento da temperatura, sendo que as faces expostas são sempre as mais afectadas, podendo surgir fissuras, fendas ou lascamentos devidos à diminuição da resistência.
Quando sujeito ao calor, o betão não responde apenas através de mudanças físicas como a expansão, mas também com alterações químicas. Esta resposta é particularmente complexa devido à não uniformidade do material. O betão é uma mistura de água, agregados e pasta de cimento, sendo que cada componente possui formas diferentes de reagir ao calor, tal como se apresenta de seguida.
3.1.1.EFEITO DA TEMPERATURA
3.1.1.1. Água
A água possui calor específico elevado, sendo necessário despender uma elevada quantidade de energia para elevar a sua temperatura. Por outro lado o betão possui água e ar no seu interior poroso, pelo que quando aquecido (em situação de incêndio por exemplo) ocorre evaporação da água livre. O
vapor de água formado e o ar existente nos poros movimentam-se através da porosidade do betão, até atingirem a superfície de forma a serem libertados. Esta movimentação atrasa o aumento de temperatura no interior da peça de betão.
A malha porosa por vezes não se encontra interligada em betões compactos (logo menos porosos), aprisionando os gases e o vapor de água. Quando isto acontece, ocorre um aumento da pressão nos poros, provocando o aparecimento de forças internas. Se a pressão continuar a aumentar, podem originar-se forças capazes de provocar o destacamento do betão junto da superfície (por vezes com velocidades elevadas), designando-se este fenómeno por spalling.
O fenómeno de spalling surge normalmente para elevadas temperaturas, embora surja diversas vezes em fases iniciais do incêndio com temperaturas da ordem dos 250ºC. O destacamento do betão por
spalling diminui a secção resistente de betão, diminuindo a sua capacidade de carga em fases inicias,
não tendo sido afectadas ainda as propriedades dos materiais por efeito da temperatura. Por outro lado, o destacamento de betão diminui a espessura de recobrimento, o que faz com que o aço atinja temperaturas elevadas mais rapidamente, diminuindo prematuramente a sua capacidade resistente (ver Figura 3.3).
Figura 3.3 – Exemplo de spalling na face inferior de uma laje
Para além de spalling pode ocorrer outro fenómeno designado por cracking que significa fissuração. Acredita-se que o processo de formação de fissuras é em tudo semelhante ao processo de spalling. A expansão térmica e a desidratação do betão devido ao aquecimento podem originar a formação de fissuras e/ou destacamentos. Estas fissuras proporcionam caminhos para o interior do betão, sendo penetrados pelos gases quentes expondo as armaduras ao calor e diminuindo a rigidez do betão. As fissuras surgem apenas nas faces expostas ao calor, tendo-se verificado que para temperaturas superficiais do betão da ordem dos 700ºC, as fissuras penetraram em média 3 cm no interior da secção, o que corresponde ao valor dos recobrimentos usuais.
Quer o efeito de spalling ou o efeito de cracking são fenómenos que não são recuperados quando o fogo termina, ao contrário do fenómeno de expansão térmica.
3.1.1.2. Agregados
Com o aumento de temperatura, os agregados sofrem expansões em função do tamanho dos agregados. Devido à desidratação da pasta de cimento e à sua consequente retracção, nas zonas de ligação agregados/pasta de cimento surgem tensões que levam ao aparecimento de microfissuras quando a temperatura ronda os 300ºC. Estas microfissuras provocam uma diminuição da resistência à tracção e do módulo de elasticidade do betão na zona afectada.
As propriedades do betão são altamente influenciadas pelas características mineralógicas dos agregados. Existem dois grandes grupos de agregados: os siliciosos e os calcários. Os agregados siliciosos possuem grande quantidade de quartzo (granitos e arenitos), aumentando de volume para temperaturas da ordem dos 550ºC, enquanto os agregados calcários apenas expandem para temperaturas da ordem dos 800ºC. Este facto mostra que o betão de agregados calcários possui uma diminuição mais lenta da resistência com o aumento da temperatura, facto que é diferenciado no Eurocódigo 2 Parte 1-2, na definição das propriedades mecânicas dos materiais em função da temperatura.
3.1.1.3. Pasta de cimento
A pasta de cimento sofre efeitos de retracção devido à desidratação do betão, podendo aparecer microfissuras entre esta e os agregados, como já foi referido. Este facto provoca um aumento da porosidade e diminuição da rigidez da pasta, sendo agravado com o aumento do tempo de exposição ao incêndio.
3.1.1.4. Betão
Conhecendo o comportamento dos componentes do betão com o aumento da temperatura, torna-se mais fácil perceber o comportamento do seu conjunto. A Figura 3.4 mostra resumidamente esse comportamento.
Figura 3.4 – Comportamento do betão com o aumento da temperatura
Analisando a figura pode concluir-se que inicialmente (até aos 400ºC) as perdas de resistência são devidas ao efeito de spalling afectando principalmente as camadas superficiais de betão. Apenas para
temperaturas da ordem dos 600ºC é que se verifica uma redução significativa das propriedades resistentes do betão.
Em Portugal são normalmente utilizados agregados de origem siliciosa, apresentando-se por isso apenas as propriedades relativas a estes agregados nos pontos seguintes.
3.1.2.CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS E TÉRMICAS DO BETÃO
3.1.2.1. Betão à compressão - Relações tensões-extensões
O efeito da temperatura na resistência à compressão do betão, em função da temperatura; pode ser observado através da Figura 3.5.
Figura 3.5 – Diagrama de tensão-extensão de um betão C25/30 a diferentes temperaturas
Analisando a figura verifica-se que até aos 200ºC as reduções da tensão resistente e do módulo de elasticidade não são apreciáveis, diminuindo largamente à medida que a temperatura aumenta. Em termos de extensões verifica-se que a capacidade de deformação aumenta significativamente de 2,5‰ para 20ºC até cerca de 15‰ para 500ºC. Este aspecto mostra o aumento da ductilidade do betão com a temperatura, fazendo com que sejam mobilizadas elevadas deformações em situação de rotura.
Estes diagramas podem ser modelados apresentando um aspecto semelhante ao representado na Figura 3.6.
Sendo que fc,θ corresponde à tensão máxima de compressão, εc1,θ à extensão para a qual ocorre a
tensão máxima e εcu1,θ à extensão última atingida.
A tensão de compressão de cálculo é determinada através da seguinte expressão:
º 20 ,fi c( ) ck
cd k f
f =
θ
× (3.3)sendo kc(
θ
) o factor de redução da tensão de compressão.Os valores de kc(
θ
) e das extensões εc1, θ e εcu1, θ apresentam-se na Tabela 3.1 em função datemperatura.
Tabela 3.1 – Coeficientes de redução do betão e extensões Temperatura (ºC) kc(θ) εc1, θ εcu1, θ 20 1,00 0,0025 0,0200 100 1,00 0,0040 0,0225 200 0,95 0,0055 0,0250 300 0,85 0,0070 0,0275 400 0,75 0,0100 0,0300 500 0,60 0,0150 0,0325 600 0,45 0,0250 0,0350 700 0,30 0,0250 0,0375 800 0,15 0,0250 0,0400 900 0,08 0,0250 0,0425 1000 0,04 0,0250 0,0450 1100 0,01 0,0250 0,0475 1200 0,00 - -
Para melhor se compreender a evolução da resistência à compressão do betão representa-se na Figura 3.7 a evolução de kc(θ) com a temperatura.
Analisando a Figura 3.7 verifica-se que o Eurocódigo 2 Parte 1-2 não considera aumentos de resistência com a temperatura sendo todos os valores menores ou iguais à unidade. Observa-se que o betão com agregados siliciosos possui sempre coeficientes menores ou iguais ao do betão com agregados calcários, tal como seria de esperar devido ao seu pior comportamento ao fogo. Verifica-se também que a taxa de decrescimento aumenta até aos 800ºC, sendo que a resistência é reduzida a metade a uma temperatura de cerca de 550ºC.
3.1.2.2. Betão à tracção - Relações tensões-extensões
Tal como para o dimensionamento de estruturas ao estado limite último, no dimensionamento ao fogo a tensão de tracção do betão é normalmente desprezada por apresentar um valor reduzido.
Apresenta-se apenas como curiosidade na Figura 3.8 a evolução do coeficiente de redução da resistência do betão a tracção kc,t(θ) quando submetido a altas temperaturas.
Figura 3.8 – Evolução de kc,t(θ) com a temperatura
3.1.2.3. Calor específico
O calor específico cp(θ), em J/kg K, para betão seco (u=0%) pode ser determinado através das
seguintes expressões:
( )
θ
=900 p c , para 20ºC ≤θ ≤100ºC( )
θ
=900+(
θ
−100)
p c , para 100ºC < θ ≤200ºC( )
θ
=1000+(
θ
−200)
/2 p c , para 200ºC< θ ≤400ºC( )
θ
=1100 p c , para 400ºC< θ ≤ 1200ºC (3.4)sendo θ a temperatura do betão em ºC.
Quando a humidade do betão não é considerada explicitamente na metodologia de cálculo, a função dada para o calor específico do betão deve ser modelada com um valor constante, cp, peak, situado entre
os 100ºC e os 115ºC, e decrescendo linearmente entre os pontos (115ºC, cp, peak) e (200ºC,
1000 J/kg K). Os valores de cp, peak em função da temperatura apresentam-se de seguida, sendo
cp, peak=900 J/kg K para uma humidade de 0% do peso do betão
cp, peak=1470 J/kg K para uma humidade de 1,5% do peso do betão
cp, peak=2020 J/kg K para uma humidade de 3,0% do peso do betão
(3.5)
Na Figura 3.9 representam-se as funções do calor específico do betão, cp, para percentagens de
humidade de 0%, 1,5% e 3%.
Figura 3.9 – Evolução do calor específico com a temperatura e com a humidade do betão
3.1.2.4. Condutividade térmica
A condutividade térmica do betão λc, em W/m K, pode situar-se entre os valores mínimos e máximos
dados pelas seguintes expressões:
Valor máximo:
λ
c =2−0,2451(θ
100)+0,0107(θ
100)2, para 20ºC≤θ ≤1200ºC (3.6) Valor mínimo:λ
c =1,36−0,136(θ
100)+0,0057(θ
100)2, para 20ºC≤θ ≤1200ºC (3.7) Na Figura 3.10 representa-se a variação da condutividade térmica mínima e máxima com a temperatura.3.1.2.5. Extensão térmica
A extensão térmica do betão consiste no aumento de volume dos elementos provocado pelo aumento de temperatura e apresentando-se na Figura 3.11 a sua evolução com a temperatura. Esta pode ser determinada através das seguintes expressões (para betões de agregados siliciosos):
3 11 6 4 10 3 , 2 10 9 10 8 , 1
θ
θ
ε
=− × − + × − × + × − × c para 20ºC≤θ ≤700ºC (3.8) 3 10 14× − = cε
para 700ºC< θ ≤1200ºC (3.9)Figura 3.11 – Evolução da expansão térmica com a temperatura
Analisando a evolução da extensão térmica para betões de agregados siliciosos e calcários, verifica-se que a extensão aumenta significativamente com a temperatura, até se atingir uma temperatura crítica a partir da qual o betão não consegue expandir mais, mantendo o valor constante. Observa-se mais uma vez o pior comportamento do betão de agregados siliciosos que apresenta um aumento mais rápido da extensão térmica e atinge a temperatura crítica para menores temperaturas, sendo a extensão máxima superior à extensão máxima atingida por betões de agregados calcários.
3.2.AÇO
O aço é usado para compensar a baixa resistência do betão à tracção. O conhecimento do comportamento do aço a altas temperaturas é bastante importante, sobretudo em elementos sujeitos à flexão onde o aço se considera o elemento resistente à tracção.
3.2.1.EFEITO DA TEMPERATURA
O aço é um material bastante homogéneo, sendo a sua temperatura de fusão da ordem dos 1550ºC. Como se pode verificar pelos gráficos das curvas de incêndio, a acção do fogo não atinge temperaturas tão elevadas em situações usuais.
Os aços usados nos varões de betão armado são aços laminados a quente produzidos a temperaturas acima dos 700ºC, podendo ou não ser tratados após laminação. As propriedades elásticas dos aços laminados a quente dependem unicamente da composição química (ligas de carbono, manganês, silício e crómio). Estes recuperam as propriedades de resistência quando aquecidos até 1100 °C ou 1200 °C e arrefecidos em seguida. Só para temperaturas muito elevadas e durante tempos prolongados, a
granulação pode tornar-se grosseira, impedindo a recuperação total das características originais. Por isso, pode considerar-se que as armaduras recuperam virtualmente a resistênciaem incêndios, desde que aquecidos até cerca de 500 °C.
O aço é um material bom condutor de calor, o que significa que muito rapidamente a temperatura é uniformizada na secção dos varões. Por este motivo, e dado que os varões possuem secções pequenas, é usual considerar-se a temperatura de cada varão constante em toda a sua secção.
Tal como o betão, as propriedades resistentes do aço são pouco diminuídas até temperaturas da ordem dos 400ºC, mas acima destas o decaimento das propriedades é bastante mais elevado para o aço. O facto de o aço possuir um comportamento pior que o do betão devido a uma muito maior condutividade térmica, é agravado pela localização dos varões de aço na secção de betão armado. Os varões normalmente localizam-se na periferia das peças de betão, sendo que esta zona é altamente afectada pelo incêndio, pois possui temperaturas elevadas ao contrário da zona interior do betão mais protegida. Assim sendo, os varões expostos a altas temperaturas apresentarão uma diminuição elevada das propriedades resistentes, podendo condicionar altamente a segurança da peça de betão armado sujeita à acção do fogo.
Dado que em Portugal o aço existente normalmente é laminado a quente e da classe de resistência N, serão apresentadas as características apenas para este tipo de aço.
3.2.2.CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS E TÉRMICAS DO AÇO
3.2.2.1. Resistência à tracção - Relações tensões-extensões
A temperatura afecta significativamente as características do aço, apresentando-se na Figura 3.12 diagramas com a evolução típica da resistência do aço em função da sua temperatura.
Figura 3.12 – Evolução da resistência à tracção com a temperatura
Analisando a Figura 3.12 verifica-se que para temperaturas até 400ºC a perda de resistência não é significativa, ocorrendo inclusive ganhos de resistência para temperaturas inferiores a esse valor. Pode observar-se também que o patamar de cedência passa a surgir para extensões muito mais elevadas,
passando o comportamento a possuir diagramas não-lineares muito mais extensos. Torna-se possível atingir extensões tão elevadas graças ao aumento de ductilidade provocado pelo aumento da temperatura. Embora na Figura 3.12 não esteja representada, a extensão última pode atingir facilmente valores de 200‰, estando o aço muito deformado na rotura, permitindo alertar facilmente do perigo de ruína do elemento em que se insere.
O Eurocódigo apresenta o diagrama de tensões-extensões para o aço a altas temperaturas representado na Figura 3.13.
Figura 3.13 – Diagrama de tensões-extensões do aço a altas temperaturas
Na Figura 3.13 é possível verificar o comportamento do aço pode ser dividido em 4 regiões. A primeira região diz respeito ao tramo de comportamento linear, sendo válida a lei de Hooke. A região seguinte caracteriza-se por um comportamento não-linear do aço, até ser atingido o patamar de cedência, que corresponde à terceira região. O patamar de cedência verifica-se durante um intervalo de extensões bastante elevado, entre os 20‰ e os 150‰, demonstrando assim a elevada ductilidade do aço a altas temperaturas. A última região diz respeito ao ramo descendente do diagrama que corresponde à rotura. Pode-se também observar que os valores das extensões de cedência e de rotura
são independentes da temperatura do aço, apresentando valores bastante elevados como seria de esperar.
Os valores das tensões presentes neste diagrama são dependentes da temperatura, sendo obtido a partir da tensão de cedência a temperatura normal através da aplicação de um coeficiente de redução, ks(θ).
º 20 , s( ) yk
sy k f
f θ =
θ
× (3.10)O Eurocódigo 2 define este coeficiente de duas formas, dependendo se a extensão do aço é superior a 20‰ ou não. Sendo assim existem duas situações para obter o valor de ks(θ):
• Caso a extensão do aço seja inferior a 20‰:
ks(θ) = 1,0 se 20º ≤ θ ≤ 100º (3.11) ks(θ) = 0,7 – 0,3 (θ - 400)/300 se 100º < θ ≤ 400º ks(θ) = 0,57 – 0,13 (θ - 500)/100 se 400º < θ ≤ 500º ks(θ) = 0,1 – 0,47 (θ - 700)/200 se 500º < θ ≤ 700º ks(θ) = 0,1 (1200 - θ)/500 se 700º < θ ≤ 1200º
• Caso a extensão do aço seja superior a 20‰:
Tabela 3.2 – Coeficiente de redução da tensão do aço, ks(θ)e relações entre fsp,θ/fyk eEs,θ/ Es
Temperatura (ºC) ks(θ) fsp,θθθθ/fyk Es,θθθθ/ Es 20 1,00 1,00 1,00 100 1,00 1,00 1,00 200 1,00 0,81 0,90 300 1,00 0,61 0,80 400 1,00 0,42 0,70 500 0,78 0,36 0,60 600 0,47 0,18 0,31 700 0,23 0,07 0,13 800 0,11 0,05 0,09 900 0,06 0,04 0,07 1000 0,04 0,02 0,04 1100 0,02 0,01 0,02 1200 0,00 0,00 0,00
Para melhor perceber as diferenças entre as duas situações apresenta-se na Figura 3.14 a evolução do coeficiente de redução da tensão do aço, ks(θ) em função da temperatura.
Figura 3.14 – Coeficiente de redução da tensão do aço, ks(θ) em função da temperatura
Em primeiro lugar salienta-se que para uma determinada temperatura, o diagrama de tensões extensões do aço é único. Sendo assim, conhecendo a temperatura, a tensão apenas depende da extensão do aço. Caso a extensão seja superior a 20‰ e inferior a 150‰, o aço encontra-se em patamar de cedência, sendo a tensão constante e igual à tensão de cedência para essa temperatura e utilizando-se os coeficientes dados pela curva 1 da Figura 3.14. Caso a extensão seja inferior a 20‰ e supondo que não se encontra no ramo elástico linear, a tensão do aço a assumir corresponde à tensão limite convencional de elasticidade a 2‰ o que corresponde a utilizar os coeficientes dados pela curva 2 na Figura 3.14.
A metodologia de cálculo da tensão do aço consiste num processo iterativo de determinação do coeficiente de redução ks(θ). Neste processo, define-se à partida, por exemplo, que a extensão no aço é
superior a 20‰ (pois a extensão do aço não é conhecida à partida) e calcula-se o valor de ks(θ)
respectivo. Se após o cálculo se verificar que o pressuposto inicial é respeitado, aceita-se o cálculo efectuado. Caso o pressuposto não seja respeitado, procede-se novamente ao cálculo mas usando os valores de ks(θ) para extensões inferiores a 20‰.
Salienta-se que a determinação de ks(θ) apenas segue este procedimento caso o aço se encontre à
tracção. Caso o aço se encontre comprimido, os valores de ks(θ) a adoptar segundo o Eurocódigo 2 são
sempre os valores dados pela curva 2 na Figura 3.14, pois a extensão do betão envolvente será inevitavelmente inferior a 20‰.
3.2.2.2. Calor específico
O calor específico, ca(θ) , do aço em J/kg K, segundo o Eurocódigo 3, Parte 1-2, é dado em função da
temperatura por:
( )
1 3 2 6 3 10 22 , 2 10 69 , 1 10 73 , 7 425θ
θ
θ
θ
= + × − × − × − × + × − × a c , para 20ºC≤θ ≤600ºC( )
θ
θ
− + = 738 13002 666 a c , para 600ºC< θ ≤735ºC( )
731 17820 545 − + =θ
θ
a c , para 735ºC< θ ≤900ºC( )
θ
=650 a c , para 900ºC< θ ≤ 1200ºC (3.12)3.2.2.3. Condutividade térmica
A condutividade térmica do aço λa, em W/m K, ser obtido pelas seguintes expressões, segundo o
Eurocódigo 3, Parte 1-2:
θ
λ
= − × −2 × 10 33 , 3 54 a , para 20ºC≤θ ≤800ºC 3 , 27 = aλ
, para 800ºC< θ ≤1200ºC (3.13) 3.2.2.4. Extensão térmicaA extensão térmica do aço pode ser determinada em função da temperatura segundo o Eurocódigo 2, Parte 1-2, através das seguintes expressões:
2 8 5 4 10 4 , 0 10 2 , 1 10 416 , 2
θ
θ
ε
=− × − + × − × + × − × s para 20ºC≤θ ≤750ºC 3 10 11× − = sε
para 750ºC< θ ≤860ºCθ
ε
=− × −3 + × −5× 10 2 10 2 , 6 s para 8600ºC< θ ≤1200ºC (3.14)Na Figura 3.15 ilustra-se a variação da extensão térmica do aço com a temperatura:
4
METODOLOGIAS
SIMPLIFICADAS
DE ANÁLISE AO FOGO
4.1.ACÇÕES EM ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO
As acções a considerar na estrutura são definidas no Eurocódigo 1. Para além das habituais acções mecânicas (cargas permanentes, sobrecargas, neve, vento, etc.) torna-se necessário definir as acções térmicas resultantes da situação de incêndio.
A acção do fogo é considerada uma acção de acidente, sendo que os efeitos das acções em situação de incêndio, Ed,fi,t, podem ser determinados para valores quase-permanentes ou frequentes das acções
variáveis. O Eurocódigo 1 Parte 1-2 recomenda a utilização de valores quase-permanentes da acção variável, determinando-se os efeitos da acção do fogo, Ed,fi,t, através da seguinte combinação:
∑
∑
> ≥ × + × + + = 1 , , 2 1 , 1 , 2 1 , , , i i k i k j d j k t d fi G A Q Q Eψ
ψ
(4.1) Sendo:• Gk,j= Valor característico das acções permanentes;
• Qk,1= Valor característico da acção variável principal ou dominante; • Qk,i= Valor característico das restantes acções variáveis;
• Ad= Valor de cálculo da acção acidental. Nas situações de incêndio, este valor representa o
valor de cálculo das acções térmicas indirectas devido ao incêndio.
•
ψ
2- Coeficiente de redução quase permanente das acções variáveis.Esta recomendação deve ser devidamente ponderada pois nesta combinação os esforços serão mais reduzidos que no caso da combinação frequente. Note-se que para acções horizontais (vento e sismo) o valor do coeficiente de redução quase-permanente das acções variáveis assume o valor zero logo não são consideradas acções horizontais na análise em situação de incêndio. Desta forma os pilares poderão possuir maiores excentricidades que introduzem esforços não desprezáveis no cálculo.
Neste trabalho foi adoptada a combinação quase-permanente de esforços por se tratar da combinação recomendada pela versão disponível do Eurocódigo 1 – Parte 1.2.
A acção de incêndio origina aumento de temperatura nos elementos estruturais, provocando a diminuição da sua capacidade resistente, bem como o aparecimento de deformações térmicas devidas
à dilatação dos elementos. Estas deformações podem ser restringidas, conduzindo a esforços adicionais nos elementos estruturais, correspondendo aquelas a acções indirectas. O Eurocódigo 1, Parte 1-2, refere a necessidade de considerar as acções indirectas com excepção dos casos onde seja previsível que os seus efeitos sejam desprezáveis ou favoráveis, e no caso de surgirem devido a considerações conservativas de apoios ou ligações ao exterior. Para a avaliação das acções indirectas, o Eurocódigo refere que se devem ter em conta os seguintes parâmetros:
• Confinamentos à expansão térmica dos elementos;
• Expansão térmica diferenciada no interior de elementos estaticamente indeterminados (caso de lajes contínuas);
• Gradientes térmicos no interior das secções provocando esforços internos;
• Expansão térmica de elementos adjacentes (caso dos deslocamentos das extremidades dos pilares devidos à expansão das lajes);
• Expansão térmica de elementos capazes de afectar outros elementos fora do compartimento de incêndio.
No caso de estruturas de betão armado, esta avaliação deve ter em conta as propriedades dos materiais, definidas no Eurocódigo 2, Parte 1-2, apresentadas no capítulo anterior.
O Eurocódigo 1, Parte 1-2 refere no ponto (4) da secção 4.1 que as acções indirectas devidas a elementos adjacentes não devem ser consideradas quando a segurança estrutural é avaliada efectuando uma análise de elementos sujeitos a condições de fogo definidas por curvas nominais. No Eurocódigo 2, Parte 1-2, no ponto (4) da secção 2.1.1, também é referido que a consideração dos efeitos estruturais do fogo pode ser desprezada nos casos em que existam meios de protecção da estrutura eficientes ou que os elementos constituintes da estrutura satisfaçam os requisitos de acordo com a exposição ao fogo nominal. A ideia é reforçada quando o Eurocódigo 2, Parte 1-2 apresenta os métodos de verificação de resistência na secção 2.4, onde refere que uma análise por elementos é suficiente para verificar as exigências de resistência ao fogo, sendo referido também que, para este tipo de análise, apenas os efeitos das deformações térmicas provocados por gradientes térmicos na secção transversal necessitam de ser considerados, sendo os efeitos das deformações térmicas axiais ou no plano da estrutura desprezados (ponto (4) da secção 2.4.2). Com este procedimento o Eurocódigo orienta os projectistas para a análise separada de elementos, e não da estrutura como um todo ou sequer de partes desta, simplificando assim a análise.
Sendo assim, as acções indirectas resultantes de impedimentos de deformações não necessitam de ser consideradas (Ad=0), passando a combinação a apresentar-se da seguinte forma:
∑
∑
> ≥ × + × + = 1 , , 2 1 , 1 , 2 1 , , , i i k i k j j k t d fi G Q Q Eψ
ψ
(4.2)Ao considerar as acções indirectas desprezáveis, o Eurocódigo define a actuação de incêndio de uma forma diferente. Em vez de se considerar a acção de incêndio a actuar num compartimento, provocando acções indirectas na estrutura e entrando em linha de conta com os efeitos dos elementos envolventes ao compartimento, considera que todo o edifício se encontra submetido ao incêndio padrão (Figura 4.1).
