COMPARAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO DE PERFIS EM AÇOS ESTRUTURAIS CONVENCIONAIS E AÇOS RESISTENTES AO FOGO (1)

“COMPARAÇÃO DO DIMENSIONAMENTO EM SITUAÇÃO

DE INCÊNDIO DE PERFIS EM AÇOS ESTRUTURAIS

CONVENCIONAIS E AÇOS RESISTENTES AO FOGO”

“COMPARISON OF DESIGN IN FIRE SITUATION OF

CONVENTIONAL AND FIRE RESISTANT STRUCTURAL

STEEL PROFILES”

Francisco Carlos Rodrigues(2) Cícero Murta Diniz Starling(3) Guilherme Franco Bernardes(4)

Resumo

Em situação de incêndio, os aços estruturais convencionais (assim como outros materiais) sofrem perdas em sua resistência mecânica, pondo em risco a estrutura e seus ocupantes. Em países onde existem normas de segurança contra incêndio, incluindo-se o Brasil, revestimentos isolantes térmicos são aplicados aos elementos estruturais, mas representam uma solução cara e pouco eficiente. Aços resistentes ao fogo, capazes de resistir a temperaturas elevadas sem perda acentuada de sua resistência mecânica, têm sido desenvolvidos. Neste trabalho, realizou-se o dimensionamento à temperatura ambiente e em situação de incêndio de perfis estruturais de uma edificação, dando continuidade a um estudo anterior apresentado no I CICOM. O dimensionamento foi realizado segundo as normas NBR 8800 e NBR 14323 e utilizando-se propriedades mecânicas experimentais de aços estruturais convencionais e resistentes ao fogo de fabricação nacional. Considerou-se dois TRRF's (30 e 60 minutos) e a aplicação isolada ou combinada de duas proteções (argamassa projetada e tinta intumescente). O aço resistente ao fogo permitiu a redução do consumo de material isolante térmico implicando, para algumas das condições avaliadas, em uma redução superior a 15% do custo de proteção da estrutura. Determinou-se também o custo/kg máximo do aço resistente ao fogo que o tornasse economicamente viável.

Palavras-chaves:

---(1)

- Contribuição Técnica a ser apresentada no “II Congresso Internacional da Construção

Metálica - II CICOM ”– novembro, 2002 – São Paulo, SP, Brasil. (2)

- Prof. Adjunto do Departamento de Engenharia de Estruturas, EE-UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil. francisco@dees.ufmg.br.

(3)

- Prof. Adjunto do Departamento de Engenharia de Materiais e Construção, EE-UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil. starling@demc.ufmg.br.

(4)

- Engenheiro Civil, MSc – Departamento de Engenharia de Estruturas, EE-UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil. gfbernardes@ig.com.br

“II Congresso Internacional da Construção Metálica – II CICOM”

Abstract:

In a fire situation, the conventional structural steels suffer losses on its mechanical resistance, putting in risk the structure and its occupants. In countries that have a code related to fire protection, including Brazil, thermal insulating coatings are used but represent an expensive and inefficient solution. Fire resistant steels, capable to resist to high temperatures without accentuated loss on its mechanical resistance, have been developed. In the present work, the design at room temperature and in fire situation was accomplished for structural profiles of a construction, as a complement to a previous study presented on I CICOM. The structural design was accomplished according to the Brazilians codes NBR14323 and NBR8800 and using mechanical properties evaluated for conventional and fire resistant steels of national production. It was considered two required times of fire resistance (30 and 60 minutes) and isolated or combined application of two protections (cimenttious fireproofing and intumescent coat). The fire resistant steel allowed the reduction of the necessary amount of thermal insulating coating resulting, for some of the evaluated conditions, in a reduction above 15% on the structure protection cost. Starting from the results, the economically viable cost/kg of the fire resistant steel was determined for each case.

Keys words:

1 - INTRODUÇÃO

Uma das preocupações e cautela quanto ao projeto de edificações em aço se deve ao dimensionamento e comportamento da estrutura em situação de incêndio. Neste caso, as altas temperaturas geradas reduzem os valores das propriedades mecânicas do aço, ou seja, a resistência à tração, a resistência ao escoamento e o módulo de elasticidade. Além disso, a elevação da temperatura durante o incêndio ocasiona o aparecimento de esforços solicitantes adicionais na estrutura devido às dilatações térmicas e aos gradientes térmicos resultantes nos elementos estruturais.

Para a construção de um edifício seguro, o incêndio deve ser encarado como um fenômeno possível de ocorrer durante a vida útil do mesmo. Sendo assim, a quantificação das solicitações atuantes durante o incêndio, bem como sua consideração na elaboração do projeto, devem ser tratadas com a mesma preocupação dedicada ao dimensionamento quanto às solicitações devidas ao peso próprio e as ações variáveis em temperatura ambiente.

O dimensionamento e a proteção da estrutura de aço em situação de incêndio, apenas recentemente têm merecido atenção por parte de autoridades públicas e pesquisadores em nosso país. Em 1995, algumas universidades brasileiras, como a UFMG, UFOP e USP, começaram a desenvolver estudos e pesquisas sobre o assunto. A partir daí, foi criada uma comissão técnica, cujo trabalho rendeu a elaboração e publicação das normas NBR 14323: "Dimensionamento de Estruturas de Aço de Edifícios em Situação de Incêndio" (ABNT, 1999) e a NBR 14432: "Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos de Edificações" (ABNT, 2000). Estas duas normas aplicadas juntamente com a norma NBR8800: “Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios” (ABNT, 1986) são, no Brasil, as necessárias para se realizar o dimensionamento de um edifício em aço à temperatura ambiente e em situação de incêndio.

Durante o desenvolvimento de um projeto de estrutura metálica em situação de incêndio, um dos passos mais importante é a determinação do TRRF da edificação (determinado através da norma NBR 14432). TRRF é o tempo requerido de resistência ao fogo que um elemento construtivo deve resistir quando sujeito a um incêndio de condições controladas denominado

de incêndio padrão, e este tempo deve ser tal que assegure: (i) A fuga dos ocupantes do edifício; (ii) A segurança das operações de combate ao incêndio, bem como dos bombeiros que nele tenham de atuar e (iii) A proteção do próprio edifício, contra danos de incêndio que possa se deflagrar nele ou em edifícios vizinhos. O TRRF varia de edificação para edificação e depende basicamente dos seguintes fatores: (a) Tipo do edifício e ocupação a que se destinará; (b) Carga de incêndio específica do seu conteúdo; (c) Área total do edifício e área de cada pavimento; (d) Altura do edifício e sua compartimentação e (e) Taxa de ocupação. Segundo a NBR 14432 (ABNT, 2000), o TRRF pode assumir valores de 30, 60, 90 ou 120 minutos.

Em determinadas situações de projeto (por exemplo, quando o TRRF da edificação é elevado) um elemento estrutural somente resistirá aos esforços atuantes durante um incêndio se estiver protegido por camadas de materiais de proteção (materiais isolantes térmicos). Porém, a utilização desta proteção, dependendo do tipo de edificação e do material isolante térmico a ser utilizado, acarreta um acréscimo no preço final da estrutura. Isto faz com que a estrutura metálica algumas vezes se torne pouco competitiva em relação a outros materiais estruturais. Em resposta aos problemas apresentados, no final da década de 80 foi desenvolvido no Japão o aço resistente ao fogo (Sakumoto et al, 1992; Otani, 1992; Chijiwa et al, 1993). Este novo material possui à alta temperatura propriedades mecânicas superiores às dos aços estruturais convencionais. Com esta característica, o aço resistente ao fogo reduz ou elimina a necessidade de aplicação de materiais de proteção nos elementos estruturais, tornando a edificação mais econômica. No Japão, onde este aço vem sendo utilizado há mais de 10 anos, devido a pouca diferença que existe entre o preço deste e o dos aços convencionais, há várias edificações construídas em aço resistente ao fogo.

Posteriormente, as industrias de outros países (por exemplo, a australiana e a brasileira) iniciaram pesquisas no sentido de desenvolver aços similares (Faria et al, 1996; Assfpour-Dezfuly, Hugaas e Brownrigg, 1990). No Brasil, recentemente foram lançados no mercado pela USIMINAS os aços USI FIRE 300 e USI FIRE 350.

No presente trabalho são apresentados resultados adicionais que foram obtidos na pesquisa realizada pelos seus autores, a qual, em uma primeira etapa, deu origem à publicação realizada no I CICOM (Rodrigues, Starling e Bernardes, 2001).

2 - AÇO RESISTENTE AO FOGO

Existem vários materiais de proteção contra incêndio no mercado, que tem por função retardar o aumento da temperatura do aço durante um incêndio. Porém, a utilização destes materiais causa uma série de inconvenientes, como por exemplo (Lawson, 1990; Chijiwa et al, 1993; Fushimi, Chikaraishi e Keira, 1995): (i) Podem acarretar um aumento de 20 a 30% no custo final das estruturas; (ii) Aumentam o período de construção da obra devido à sua aplicação; (iii) Diminuem o espaço interior das edificações, dependendo do material de proteção contra incêndio utilizado e (iv) Podem causar danos à saúde do trabalhador que faz sua aplicação, devido à toxidade destes materiais.

Dessa forma, a necessidade da utilização destes materiais de proteção pode tornar a estrutura metálica inviável quando comparada a outros materiais estruturais. Em resposta a estes problemas, o Ministério da Construção do Japão, na década de 80, incentivou pesquisas para o desenvolvimento de sistemas de resistência ao fogo para a segurança de edifícações, as quais foram completadas em 1987. Uma dessas linhas de pesquisa foi liderada pela Nippon Steel Corporation. Como resultado, obteve-se o desenvolvimento do aço resistente ao fogo, o qual possui resistência a alta temperatura superior à dos aços convencionais (Fushimi, Chikaraishi e Keira, 1995; Sakumoto et al, 1992; Otani, 1992; Chijiwa et al, 1993).

“II Congresso Internacional da Construção Metálica – II CICOM”

Os aços resistentes ao fogo são capazes de reter uma maior resistência mecânica em temperatura elevada do que os aços estruturais convencionais. Como conseqüência da sua utilização, pode-se reduzir a necessidade de isolamento térmico nos elementos estruturais e, em alguns casos, até mesmo a eliminação deste. A maior resistência à alta temperatura do aço resistente ao fogo é obtida através da adição de cerca de 1% de elementos de liga aos aços convencionais, além do controle da temperatura e condições de resfriamento no processo de laminação. Entre as principais características dos aços resistentes ao fogo pode-se citar (Starling, 2000): (a) Suas propriedades mecânicas em temperaturas elevadas são superiores. Enquanto os aços estruturais convencionais atingem em torno de 350°C uma resistência ao escoamento igual a 2/3 da resistência ao escoamento especificada à temperatura ambiente, os aços resistentes ao fogo atingem esta relação em torno de 600°C; (b) Suas propriedades mecânicas à temperatura ambiente são equivalentes às dos aços estruturais convencionais e (c) Suas trabalhabilidade e soldabilidade são similares às dos aços estruturais convencionais. No Japão, o aço resistente ao fogo vem sendo utilizado há mais de dez anos em vários tipos de edificações. Uma das grandes aplicações deste aço é em estruturas onde é maior a possibilidade da utilização de elementos estruturais sem proteção contra incêndio. Isto ocorre quando ao fim do TRRF de projeto estes elementos estruturais atingem uma temperatura inferior à sua temperatura crítica, como por exemplo, em estruturas onde o TRRF é pequeno ou estruturas externas. A sua utilização em edificações com TRRF elevado, apesar de não permitir a eliminação da proteção contra incêndio, permite uma significativa redução das espessuras de proteção quando comparado com aquelas necessárias para elementos estruturais em aços convencionais (Sakumoto e Saito, 1995; Nippon Steel Technical Report, 1998). Uma série de estudos (Sakumoto et al, 1994; Sakumoto, 1999; Kubota e Sakumoto, 1999; Sha, 1998) sobre a utilização do aço resistente ao fogo como material estrutural vem sendo realizada principalmente no Japão. Estes estudos indicam que o aço resistente ao fogo permite uma sensível diminuição das espessuras de material de proteção contra incêndio aplicadas aos elementos estruturais. Indicam também que, em situação de incêndio, os elementos estruturais em aço resistente ao fogo possuem um melhor desempenho do que aqueles em aços convencionais. Porém, estes estudos enfocam os aços produzidos no Japão e as normas japonesas de dimensionamento de estruturas de aço. No Brasil, onde o aço resistente ao fogo foi desenvolvido recentemente, poucas pesquisas foram realizadas sobre o comportamento deste. Além disso, a maioria destas são enfocadas nas propriedades mecânicas e metalúrgicas deste novo material. No presente trabalho, realizou-se o dimensionamento de estruturas em aço à temperatura ambiente e em situação de incêndio, utilizando-se o aço resistente ao fogo produzido no Brasil e as normas brasileiras de dimensionamento de estruturas metálicas.

3 - OBJETIVOS

São objetivos deste trabalho:

(1) Por meio da análise estrutural de exemplos práticos, realizar o dimensionamento à temperatura ambiente e em situação de incêndio de duas estruturas, uma em aço resistente ao fogo e a outra em aço convencional, para tempos requeridos de resistência ao fogo de 30 e 60 minutos;

(2) Determinar, para cada situação analisada, a massa da estrutura e o consumo de material de proteção contra incêndio necessário para a sua proteção;

(3) Determinar os tempos requeridos de resistência ao fogo e o tipo de estrutura ou edificação em que o uso do aço resistente ao fogo resulta em uma economia em material de proteção contra incêndio e

(4) Realizar um comparativo de custo em função da massa da estrutura e do consumo de material de proteção contra incêndio obtido para cada aço. Esta comparação tem como objetivo determinar, para cada caso específico, a percentagem máxima que o custo do aço resistente ao fogo pode ser superior ao custo do aço convencional para que o primeiro seja economicamente viável.

4 - METODOLOGIA

Para a realização deste trabalho foi feito o dimensionamento à temperatura ambiente e em situação de incêndio de duas edificações, as quais são chamadas de Edifício 1 e Edifício 2. Ambas edificações possuem o mesmo projeto arquitetônico e, conseqüentemente, o mesmo projeto estrutural. Possuem três pavimentos, uma área total de aproximadamente 1222m2 e uma área por pavimento de aproximadamente 407m2. Estão submetidas ao mesmo carregamento devido ao peso próprio e às cargas acidentais, tanto à temperatura ambiente quanto em situação de incêndio.

Convencionou-se o Edifício 1 como sendo uma edificação destinada a Escola de primeiro grau, possuindo, segundo a NBR 14432, um TRRF de 30 minutos. O Edifício 2 foi considerado como uma edificação destinada a vários auditórios com TRRF de 60 minutos. A estrutura destas edificações é mostrada na figura 1. Nesta figura, os elementos estruturais foram denominados de P, CV, EB, VP e VM, sendo estas denominações dadas aos pilares, contraventamentos, escoras dos beirais, vigas de pórtico e vigas mistas respectivamente. Os seguintes aços foram utilizados: (1) USI SAC 250 (aço convencional) com resistência ao escoamento (fy = 340MPa) e fatores de redução da resistência ao escoamento (ky,θ) e do

módulo de elasticidade (kE,θ) obtidos experimentalmente e (2) USI FIRE 300 (aço resistente

ao fogo) com resistência ao escoamento (fy = 370MPa) e fatores de redução da resistência ao escoamento e do módulo de elasticidade também obtidos experimentalmente. O fator ky,θ é

definido como a relação entre as resistências ao escoamento do aço à temperatura elevada e à temperatura ambiente. O fator kE,θ é definido de forma similar para o módulo de elasticidade.

Os valores de fy e ky,θ foram obtidos para cada aço através de ensaios de tração realizados à

temperatura ambiente e à temperaturas elevadas (típicas de incêndio) em chapas com 12,5mm de espessura (Araújo, 1997). Devido ao desconhecimento da evolução dos valores do módulo de elasticidade destes aços com o aumento da temperatura, utilizou-se os fatores kE,θ de dois

aços similares produzidos no Japão. Para o aço USI SAC 250 utilizou-se os valores de kE,θ obtidos para o aço SM 490A e para o aço USI FIRE 300 os valores obtidos para o aço

NFSR 490A (Chijiiwa et al, 1993). As figuras 2 e 3 mostram respectivamente os valores de ky,θ e kE,θ utilizados neste trabalho para cada aço. Observa-se que os valores de ky,θ e kE,θ dos

aços resistentes ao fogo reduzem em menor proporção à medida que a temperatura aumenta. Os valores de ky,θforam obtidos experimentalmente até 800oC, a partir daí foi realizada uma

extrapolação linear até a temperatura de 1200oC. Para os valores de kE,θ foi realizado uma

extrapolação a partir de 700 oC. Para a temperatura de 1200oC foi considerado que os valores dos fatores de redução da resistência ao escoamento e do módulo de elasticidade sejam iguais a zero. O mesmo ocorre para as curvas de ky,θ e kE,θ recomendadas pela NBR 14323.

“II Congresso Internacional da Construção Metálica – II CICOM” (a) (b) E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 E B 1 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 5 V M 3 V M 4 V M 6 V M 4 V M 6 V M 4 V M 6 V M 4 V M 6 V M 4 V M 6 V M 4 V M 6 V M 4 V M 3 750 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 6000 3000 3000 E L . 1 0 5 0 0 - P L A N O D A S V I G A S B B 1 A 11200 9700 (c)

Figura 1 - Estrutura dos edifícios 1 e 2. (a) Elevação dos eixos A e B. (b) Plano das vigas – El. 3500mm. (c) Plano das vigas – El. 10500mm (Bernardes, 2002).

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatura ( oC ) ky,

USI SAC 250 extrapolação USI FIRE 300 extrapolação

Figura 2 – Valores de ky,θ obtidos para os aços USI SAC 250 e USI FIRE 300 (Araújo, 1997).

EIXO A = EIXO B - ELEVAÇÃO

P1 CV1 P2 P3 P3 P3 P3 P2 P1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 CV1 EL.0,00 EL.3,50 EL.7,00 EL.10,50 EB1 EB1 EB1 EB1 EB1 EB1 EB1

VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VM2 VP1 VM1 VP2 VM1 VP2 VM1 VP2 VM1 VP2 VM1 VP2 VM1 VP2 VM1 VP1 750 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 3000 3000 6000 6000 3000 3000

EL. 3500 = EL. 7000 - PLANO DAS VIGAS

B

B

1

A

Figura 3 – Valores de kE,θ utilizados para os aços USI SAC 250 e USI FIRE 300 (Chijiwa et al, 1993).

Dois materiais de proteção contra incêndio foram utilizados: uma argamassa projetada (Monokote MK-6 da Grace) e uma tinta intumescente (Sistema Nullifire). Foram realizadas duas hipóteses de proteção contra incêndio com a utilização isolada ou combinada destes materiais: Hipótese 1 - Aplicação de argamassa projetada em toda a estrutura; Hipótese 2 – Aplicação de tinta intumescente nos pilares e argamassa projetada nos demais elementos estruturais.

Observa-se através da figura 1, que o eixo dos pilares dos edifícios 1 e 2 estão afastados de 750mm dos eixos A’ e B’, ou seja, da fachada da edificação. Neste trabalho, os pilares externos foram dimensionados em situação de incêndio de duas maneiras: Caso 1 – Considerando-os como elementos estruturais internos à edificação e expostos ao fogo pelos quatro lados (medida a favor da segurança); Caso 2 – Considerando-os como elementos estruturais externos à edificação (medida mais econômica). O dimensionamento dos pilares externos como elementos estruturais externos, leva a uma economia com material de proteção contra incêndio, visto que, em situação de incêndio, estes atingem temperaturas inferiores às obtidas para os elementos internos.

Sakumoto e Saito (1995) realizaram um estudo para determinar a temperatura que os pilares externos do edifício Tobihata (Japão) atingiriam durante um incêndio. Determinaram que os pilares deste edifício, ao final de 55 minutos, atingiriam a máxima temperatura (542,5oC). Neste trabalho, os pilares dos edifícios 1 e 2 possuem condições de contorno similares (posicionamento dos pilares em relação à fachada, entre outras) às dos pilares do edifício Tobihata. Devido à complexidade do assunto (determinação da temperatura atingida pelos pilares externos), no presente trabalho foi considerado que os pilares externos atingiram ao final do TRRF 542,5oC.

5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados apresentados a seguir correspondem a uma parcela dos resultados obtidos na dissertação de mestrado elaborada por Bernardes (2002), na qual foi implementado o

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatura ( oC ) k E,

USI SAC 250 extrapolação

“II Congresso Internacional da Construção Metálica – II CICOM”

programa PRODEMMSI que realiza o dimensionamento de elementos estruturais de aço com base nas prescrições das normas NBR 8800 e NBR 14323.

5.1 – Espessura de Proteção Contra Incêndio

A tabela I mostra, para a hipótese 1 de aplicação de proteção contra incêndio e para a verificação dos pilares como estrutura interna, as espessuras de argamassa projetada (tm)

necessárias para a proteção de cada elemento estrutural dos edifícios 1 e 2. Mostra também, para cada elemento estrutural, os perfis metálicos adotados no dimensionamento à temperatura ambiente. A tabela II mostra a espessura de tinta intumescente (DFT) necessária para a proteção dos pilares dos edifícios 1 e 2, quando estes foram verificados como estrutura interna e aplicando-se a hipótese 2 de proteção contra incêndio.

Tabela I – Espessuras de argamassa projetada necessária para a proteção de cada elemento estrutural dos edifícios 1 e 2 (Bernardes, 2002).

Tabela II – Temperatura crítica dos pilares e espessura de tinta intumescente (DFT) necessária para a proteção destes (Bernardes, 2002).

Através da análise da Tabela I, observa-se que, no caso do edifício 1 (TRRF de 30 minutos), a utilização do aço resistente ao fogo (USI FIRE 300) gerou uma redução de 11 a 29% na espessura de argamassa projetada quando comparada com as obtidas para o aço convencional (USI SAC 250). Ambos os aços permitiram a utilização do elemento EB1 sem proteção

tm (mm) (1) θa,p ( o C) (2) tm (mm) (1) θa,p ( o C) (2) tm (mm) (1) θa,p ( o C) (2) tm (mm) (1) θa,p ( o C) (2) VP1 VS 450x51 5 647,9 13 643,4 VS 450x51 4 700,3 11 698,6 VP2 VS 450x71 4 624,6 10 633,4 VS 450x71 3 694,2 9 667,9 VM1 VS 350x39 6 557,1 13 596,6 VS 350x35 5 649,8 13 645,8 VM2 VS 350x34 5 612,4 12 628,4 VS 350x30 5 652,7 12 676,2 VM3 VS 250x24 8 522,7 18 536,2 VS 250x21 7 621,2 18 601,7 VM4 VS 250x24 9 487,1 19 516,5 VS 250x21 8 583,1 19 581,4 VM5 VS 200x22 7 562,4 17 557,0 VS 200x22 5 654,9 13 652,0 VM6 VS 300x38 7 511,6 16 523,9 VS 300x34 5 610,3 13 598,5 P1 CS 300x76 5 558,6 12 567,0 CS 300x76 4 620,6 9 663,3 P2 CS 300x95 4 559,8 10 558,4 CS 300x95 3 638,0 8 632,4 P3 CS 350x128 4 521,8 9 550,8 CS 350x128 3 602,7 7 633,5 CV1 cantoneira (3) 5 653,8 12 677,5 cantoneira (3) 0 833,0 (5) 7 824,4 EB1 PS 200x23 (4) 0 835,0 (5) 0 942,7 (5) PS 200x23 (4) 0 835,5 (5) 0 942,7 (5)

(3) cantoneira dupla (76,2x76,2x8,0x9,5); ( 4) Perfil soldado (200x130x6,3x6,3); (5) neste caso, temperatura atingida pelo elemento estrutural estando ele sem proteção. USI FIRE 300

PERFIL

HIPÓTESE 1 - PILAR INTERNO EDIFÍCIO 1 EDIFÍCIO 2 PERFIL

E. Estrutural

HIPÓTESE 1 - PILAR INTERNO EDIFÍCIO 1 EDIFÍCIO 2

USI SAC 250

(1) espessura de argamassa projetada; (2) temperatura atingida pelo perfil após o TRRF de projeto estando ele protegido por argamassa projetada;

EDIFÍCIO 1 EDIFÍCIO 2 EDIFÍCIO 1 EDIFÍCIO 2 DFT (mm) ** DFT (mm) ** DFT (mm) ** DFT (mm) ** P1 597,8 0,41 1,12 669,1 0,29 0,89 P2 567,7 0,46 1,21 665,3 0,30 0,90 P3 589,4 0,28 0,67 663,2 0,20 0,53 θcr ( o C) * θcr ( o C) *

Hipótese 2 - Pilar Interno

PILAR

USI FIRE 300 Hipótese 2 - Pilar Interno

USI SAC 250

contra incêndio. Devido aos maiores valores de ky,θ e kE,θ à temperatura elevada, o aço

resistente ao fogo também permitiu a utilização do elemento CV1 sem a utilização de proteção contra incêndio. No caso do edifício 2 (TRRF de 60 minutos), a utilização do aço resistente ao fogo permitiu uma redução de 10 a 42% na espessura de proteção contra incêndio. Para alguns elementos estruturais (VM2 do edifício 1 e VM1 a VM4 do edifício 2) a utilização do aço resistente ao fogo não permitiu a redução da espessura de proteção contra incêndio. Porém, observa-se que, nestes casos, o aço resistente ao fogo permitiu a adoção de perfis metálicos mais leves e, além disso, estes resistiram às solicitações de cálculo em situação de incêndio à temperaturas (θa,p) superiores às dos perfis em aço convencional.

Observa-se, através da Tabela II, que no caso do Edifício 1 a utilização do aço resistente ao fogo permitiu uma redução de 29 a 35% das espessuras (DFT) de proteção em tinta intumescente quando comparado com aquelas obtidas para o aço convencional. No caso do edifício 2, estas reduções variaram de 21 a 26%. Estas reduções se devem ao fato de que o aço resistente ao fogo, por possuir uma maior resistência a alta temperatura, proporciona aos elementos estruturais maiores temperatura críticas (θcr).

Tanto para hipótese 1 quanto para a hipótese 2 de aplicação de proteção contra incêndio, quando os pilares externos foram verificados como estrutura externa, não foi necessário a proteção destes, gerando uma grande economia.

5.2 – Custos com Proteção Contra Incêndio

A Tabela III mostra, para cada aço utilizado, hipóteses de aplicação de proteção contra incêndio e casos de verificação dos pilares em situação de incêndio, os custos com a proteção dos edifícios 1 e 2. Nesta tabela, os seguintes valores são apresentados: área total protegida com argamassa projetada (As,tot), volume de argamassa projetada gasta na proteção da

estrutura (Vtot), massa de tinta intumescente gasta na proteção dos pilares (Mtinta), custo

devido à aplicação da argamassa projetada (CA), custo devido ao volume de argamassa

projetada (CV), custo total devido a proteção com argamassa projetada (Carg), custo total

devido a proteção com tinta intumescente (Ctinta) e custo total gasto com proteção contra

incêndio (Ctotal). Os custos referentes ao consumo e á área de aplicação destas proteções foram

fornecidos pelos fabricantes na época do desenvolvimento deste trabalho. A seguir, os principais resultados obtidos para cada situação analisada serão apresentados.

Hipótese 1 - pilares verificados como estrutura interna:

No caso do edifício 1, o aço resistente ao fogo permitiu uma redução de cerca de 25% em volume de argamassa projetada e 13% no custo final desta proteção. No caso do edifício 2, estas economias foram respectivamente de 13 e 7%.

Hipótese 1 - pilares verificados como estrutura externa:

No caso do edifício 1, o aço resistente ao fogo permitiu uma redução de cerca de 25% em volume de argamassa projetada e 15% no custo final desta proteção. No caso do edifício 2, estas economias foram respectivamente de 11 e 6%.

Hipótese 2 - pilares verificados como estrutura interna:

No caso do edifício 1, o aço resistente ao fogo permitiu uma redução de cerca de 31% em massa de tinta intumescente e 13% no custo desta proteção (aplicada somente nos pilares) o que gerou uma economia de aproximadamente 14% no custo final com proteção contra incêndio (argamassa projetada + tinta intumescente). No caso do edifício 2, estas economias foram respectivamente de 22, 15 e 10%.

Hipótese 2 - pilares verificados como estrutura externa:

Neste caso, para ambos os aços, não foi necessário a proteção dos pilares com tinta intumescente, sendo assim, as economias obtidas devido a utilização do aço resistente ao fogo referem-se à argamassa projetada, a qual foi aplicada no restante da estrutura. Tanto para o edifício 1 quanto para o edifício 2, as economias obtidas em volume de argamassa projetada e

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custo final desta proteção, devido a utilização do aço resistente ao fogo, são as mesmas obtidas quando se considera a hipótese 1 de aplicação de proteção contra incêndio e os pilares são verificados como estrutura externa.

Tabela III – Custos com proteção em argamassa e tinta intumescente dos edifícios 1 e 2 (Bernardes, 2002). Aço As,tot (m 2 ) Vtot (m 3 ) CA ( U S $ ) CV ( U S $ ) Carg ( U S $ ) U S I S A C 2 5 0 1 3 8 5 , 7 7,3 5 . 1 3 1 , 9 4 2 . 0 1 1 , 0 4 7 . 1 4 2 , 9 8 U S I F I R E 3 0 0 1 2 7 1 , 9 5,5 4 . 7 1 0 , 4 8 1 . 5 1 5 , 5 0 6 . 2 2 5 , 9 8

Aço A_s,tot (m2) V_tot (m3) C_A ( U S $ ) C_V ( U S $ ) C_arg ( U S $ ) U S I S A C 2 5 0 1 3 8 5 , 7 17,1 5 . 1 3 1 , 9 4 4 . 7 0 8 , 0 6 9 . 8 4 0 , 0 0 U S I F I R E 3 0 0 1 3 8 0 , 3 14,8 5 . 1 1 1 , 9 4 4 . 0 8 2 , 1 5 9 . 1 4 9 , 0 9

Aço A_s,tot (m2) V_tot (m3) C_A ( U S $ ) C_V ( U S $ ) C_arg ( U S $ ) U S I S A C 2 5 0 1 0 6 1 , 5 5,9 3 . 9 3 1 , 0 8 1 . 6 3 2 , 8 5 5 . 5 6 3 , 9 3 U S I F I R E 3 0 0 9 4 7 , 7 4,5 3 . 5 0 9 , 6 2 1 . 2 2 6 , 7 0 4 . 7 3 6 , 3 2 Aço As,tot (m 2 ) Vtot (m 3 ) CA ( U S $ ) CV ( U S $ ) Carg ( U S $ ) U S I S A C 2 5 0 1 0 6 1 , 5 13,9 3 . 9 3 1 , 0 8 3 . 8 2 1 , 0 6 7 . 7 5 2 , 1 4 U S I F I R E 3 0 0 1 0 5 6 , 1 12,3 3 . 9 1 1 , 1 6 3 . 3 9 4 , 5 5 7 . 3 0 5 , 7 1 Aço Varg (m 3

) Mtinta (kg) Carg ( U S $ ) Ctinta ( U S $ ) Ctotal ( U S $ )

U S I S A C 2 5 0 5,9 2 2 9 , 6 5 . 5 6 3 , 7 4 4 . 5 8 8 , 2 8 10.152,02 U S I F I R E 3 0 0 4,5 1 5 9 , 3 4 . 7 3 6 , 3 2 3 . 9 7 4 , 0 3 8 . 7 1 0 , 3 5

Aço V_arg (m3) M_tinta (kg) C_arg ( U S $ ) C_tinta ( U S $ ) C_total ( U S $ ) U S I S A C 2 5 0 13,9 5 8 6 , 9 7 . 7 5 1 , 9 6 7 . 7 0 7 , 7 2 15.459,68 U S I F I R E 3 0 0 12,3 4 5 6 , 2 7 . 3 0 5 , 7 1 6 . 5 6 7 , 0 1 13.872,72

Aço V_arg (m3) M_tinta (kg) C_arg ( U S $ ) C_tinta ( U S $ ) C_total ( U S $ ) U S I S A C 2 5 0 5,9 0,0 5 . 5 6 3 , 7 4 - 5 . 5 6 3 , 7 4 U S I F I R E 3 0 0 4,5 0,0 4 . 7 3 6 , 3 2 - 4 . 7 3 6 , 3 2

Aço Varg (m 3

) Mtinta (kg) Carg ( U S $ ) Ctinta ( U S $ ) Ctotal ( U S $ )

U S I S A C 2 5 0 13,9 0,0 7 . 7 5 1 , 9 6 - 7 . 7 5 1 , 9 6 U S I F I R E 3 0 0 12,3 0,0 7 . 3 0 5 , 7 1 - 7 . 3 0 5 , 7 1 H I P Ó T E S E 1 - P i l a r V e r i f i c a d o C o m o E s t r u t u r a I n t e r n a Edifício 1 Edifício 2 H I P Ó T E S E 1 - P i l a r V e r i f i c a d o C o m o E s t r u t u r a E x t e r n a Edifício 1 Edifício 2 H I P Ó T E S E 2 - P i l a r V e r i f i c a d o C o m o E s t r u t u r a I n t e r n a Edifício 1 Edifício 2 H I P Ó T E S E 2 - P i l a r V e r i f i c a d o C o m o E s t r u t u r a E x t e r n a Edifício 1 Edifício 2

Observa-se que, para todas a situações analisadas, o aço resistente ao fogo contribuiu efetivamente para a redução do volume de argamassa projetada e/ou da massa de tinta intumescente necessárias para a proteção das estruturas. Conseqüentemente, contribuiu para a redução do custo destas proteções e do custo final da proteção contra incêndio.

Nota-se que o aço resistente ao fogo foi mais econômico no caso do Edifício 1, o qual possui um TRRF de 30 minutos. Observa-se também que, quando os pilares foram verificados como estrutura externa, não houve a necessidade de sua proteção. Desta forma, pode-se afirmar que a maior eficiência deste aço é para pequenos TRRF’s e estruturas externas, embora a sua utilização para maiores exigências de resistência ao fogo também gere economia em proteção contra incêndio.

5.3 – Ganhos com a Verificação dos Pilares como Estrutura Externa

A figura 4 mostra as economias em volume de proteção contra incêndio e custo final com proteção em argamassa projetada devido à verificação dos pilares como estrutura externa, quando se considera a hipótese 1 de aplicação de proteção contra incêndio. A figura 5 mostra as economias em massa de tinta intumescente e custo final com proteção, devido à verificação dos pilares como estrutura externa, quando se considera a hipótese 2 de aplicação de proteção contra incêndio.

Observa-se que quando a proteção contra incêndio envolveu apenas a argamassa projetada, a verificação dos pilares como estrutura externa gerou uma economia superior a 15% em volume de proteção e superior a 20% no custo final desta. No caso do edifício 1 e utilizando-se o aço resistente ao fogo (USI FIRE 300), a economia no custo final com proteção chegou a quase 25%. Quando se considera a hipótese 2 de aplicação de proteção contra incêndio, a verificação dos pilares como estrutura externa gerou uma economia de 100% em massa de tinta intumescente, visto que, a proteção dos pilares não foi necessária. Devido a isto, a economia no custo final com proteção ficou entre 40 e 50%, chegando a 50% no caso do edifício 2, quando se utiliza o aço convencional (USI SAC 250).

Portanto, o dimensionamento em situação de incêndio dos pilares externos como elementos estruturais externos à edificação, reduz significativamente o custo final em proteção contra incêndio. Esta redução será tanto maior, quanto maiores forem o número de elementos estruturais externos e o afastamento destes da fachada. Quanto menor a temperatura atingida por estes durante o incêndio, menor será a necessidade de proteção contra incêndio.

0 5 10 15 20 25

Edifício 1 USI SAC 250

USI FIRE 300

Edifício 2 USI SAC 250

USI FIRE 300

Edificios e Aços utilizados

Economia em %

Volume de argamassa Custo final c/ Proteção

Figura 4 – Economia em volume e custo final com proteção em argamassa projetada devido a verificação dos pilares como estrutura externa – Hipótese 1 (Bernardes, 2002).

“II Congresso Internacional da Construção Metálica – II CICOM” 0 20 40 60 80 100

Edifício 1 USI SAC 250

USI FIRE 300

Edifício 2 USI SAC 250

USI FIRE 300

Edifícios e Aços utilizados

Ecomomia em %

Massa de Tinta Custo final c/ Proteção

Figura 5 – Economia em massa de tinta intumescente e custo final com proteção devido a verificação dos pilares como estrutura externa – Hipótese 2 (Bernardes, 2002).

5.4 – Aumento do TRRF

A figura 6 mostra, para hipótese 2 de aplicação de proteção contra incêndio e quando os pilares são verificados como estrutura interna, quanto o aumento do TRRF, de 30 minutos (Edifício 1) para 60 minutos (Edifício 2) contribuiu para o aumento do volume de argamassa, massa de tinta intumescente e custos de proteção contra incêndio.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

USI SAC 250 USI FIRE 300 Aços utilizados Acréscimo em % Volume de argamassa Massa de tinta intumescente Custo da argamassa Custo da tinta intumescente Custo final com proteção

Figura 6 – Acréscimo no consumo de material de proteção contra incêndio e custos com proteção devido o aumento do TRRF de 30 minutos (Edifício 1) para 60 minutos (Edifício 2) – Hipótese 2 (Bernardes, 2002).

Observa-se que os acréscimos no consumo de proteção contra incêndio e nos custos com proteção variaram muito pouco entre os aços USI SAC 250 e USI FIRE 300. Os acréscimos em consumo de argamassa e tinta intumescente foram superiores a 120% para ambos, sendo

próximo de 180% para o aço USI FIRE 300. O aumento do custo com argamassa ficou entre 40 e 60% e o aumento do custo da tinta intumescente entre 60 e 70%. Isto demonstra que a tinta intumescente possui um desempenho melhor para edificações com tempo requerido de resistência ao fogo menor. No geral, o aumento do custo final com proteção contra incêndio ficou entre 50 e 60%.

Nota-se que o aumento no custo com argamassa projetada e tinta intumescente não é proporcional ao aumento de volume e massa destes materiais. Isto se deve ao fato de que ambas as proteções, além de possuírem um custo devido ao volume (ou massa) de material a ser aplicado, possuem também um custo de aplicação que é relacionado apenas com a área de aplicação. Tanto para o edifício 1 quanto para o edifício 2, o custo devido a aplicação de proteção corresponde a uma parcela significativa do custo total da proteção (custo do material + custo de aplicação). Conseqüentemente, o aumento do custo final com proteção (tinta intumescente + argamassa projetada) não é proporcional ao aumento em volume e massa com proteção.

5.5 – Custo Competitivo do Aço Resistente ao Fogo

A tabela IV mostra, para os edifícios 1 e 2, para as duas hipóteses de aplicação de proteção contra incêndio e para os dois casos de verificação dos pilares, os valores obtidos para a massa total de aço e o custo final com proteção (CT) quando se utiliza os aços USI SAC 250

(convencional) e USI FIRE 300 (resistente ao fogo). A tabela V mostra quanto o custo do aço resistente ao fogo poderia ser superior ao do aço convencional para que as estruturas com o primeiro fossem economicamente viáveis. Considerou-se o custo do aço convencional (USI SAC 250) igual a US$ 1,04 o kg. Este custo foi fornecido pelo fabricante e refere-se à fabricação e montagem de estruturas simples, como o caso dos edifícios 1 e 2.

Observa-se, através da tabela IV, que o aço resistente ao fogo por possuir uma maior resistência ao escoamento gerou uma economia de 3% em massa de estrutura. Além disso, por permitir economia em material de proteção contra incêndio, o seu custo poderia ser de 3,9 a 6,0% superior ao do aço convencional, para que as edificações em aço resistente ao fogo fossem economicamente viáveis (Tabela V).

Tabela IV – Resultados da massa total de aço e do custo final com proteção para os aços USI SAC 250 e USI FIRE 300 (Bernardes, 2002).

Hipótese 1 Hipótese 2 Hipótese 1 Hipótese 2 CT (US$) CT (US$) CT (US$) CT (US$) USI SAC 250 52.899,70 7.142,98 10.152,02 5.563,93 5.563,74 USI FIRE 300 51.323,80 6.225,98 8.710,35 4.736,32 4.736,32

Hipótese 1 Hipótese 2 Hipótese 1 Hipótese 2 CT (US$) CT (US$) CT (US$) CT (US$) USI SAC 250 52.899,70 9.840,00 15.459,68 7.752,14 7.751,96 USI FIRE 300 51.323,80 9.149,09 13.872,72 7.305,71 7.305,71 Pilar Externo Pilar Externo EDIFÍCIO 1 - TRRF = 30 minutos EDIFÍCIO 2 - TRRF = 60 minutos Aço Massa (kg) Pilar Interno Aço Massa (kg) Pilar Interno

“II Congresso Internacional da Construção Metálica – II CICOM”

Tabela V – Percentagem máxima que o custo do aço USI FIRE 300 poderia ser superior ao do aço USI SAC 250 para que as estruturas em aço resistente ao fogo fossem economicamente viáveis (Bernardes, 2002).

6 – CONCLUSÕES

Através deste trabalho chegou-se à conclusão de que o aço resistente ao fogo produzido no Brasil, por manter uma maior resistência mecânica à alta temperatura, contribui efetivamente para a redução da necessidade de proteção contra incêndio e, até mesmo, a sua eliminação. Conseqüentemente, contribui para uma redução do consumo total de proteção contra incêndio o que, por sua vez, reduz o custo final com proteção. Em termos deste custo final, o aço resistente ao chegou a economizar 15% em relação ao aço convencional.

Portanto, o dimensionamento de estruturas metálicas em aço resistente ao fogo produzido no Brasil, utilizando-se as normas brasileiras de dimensionamento, também conduz a resultados bastante satisfatórios em favor da utilização deste aço. Para os casos analisados, o custo do aço resistente ao fogo pode ser de 3,9 a 6,0% superior ao do aço convencional para que se torne economicamente viável.

Observou-se também que a verificação em situação de incêndio dos pilares externos como elementos estruturais externos, gerou uma economia no custo final com proteção que variou de 15 a 50%, dependendo da situação analisada. Também foi observado que um aumento de 30 minutos no TRRF gerou um acréscimo de 50 a 60% no custo final com proteção.

7 – REFERÊNCIAS

Araújo, C. S. Avaliação da Soldabilidade de Aços Resistentes ao Fogo para Aplicação na

Construção Civil. Rio de Janeiro: Escola de Engenharia da UFRJ, 1997. 167p. apud

(Starling, 2000).

Assefpour-Dezfuly, M., Hugaas, B. A., Brownrigg, A. Fire Resistant High Strength

Low Alloy Steels. Materials Science and Technology, v. 6, p. 1210-1214,

december 1990 apud: (Starling, 2000).

Hipótese 1 Hipótese 2 Hipótese 1 Hipótese 2

Custo (%) Custo (%) Custo (%) Custo (%)

4,8 5,8 4,6 4,6

Pilar Interno Pilar Externo

Hipótese 1 Hipótese 2 Hipótese 1 Hipótese 2

Custo (%) Custo (%) Custo (%) Custo (%)

4,4 6,0 3,9 3,9

EDIFÍCIO 1 - TRRF = 30 minutos

Pilar Interno Pilar Externo

Relação

USI FIRE 300 / USI SAC 250

EDIFÍCIO 2 - TRRF = 60 minutos

Relação

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Dimensionamento de

Estruturas de Aço de Edifícios em Situação de Incêndio – Procedimento. NBR

14323, Rio de Janeiro, 1999. 46p.

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Exigências de Resistência ao Fogo de

Elementos Construtivos de Edificações – Procedimento. NBR 14432, Rio de Janeiro,

2000. 14p.

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Projeto e Execução de Estruturas de

aço de Edifícios(Método dos Estados Limites). NBR 8800, Rio de Janeiro, 1986. 129p.

Bernardes, G.F. Dimensionamento em Situação de Incêndio de Perfis em Aços

Estruturais Convencionais e Aços Resistentes ao Fogo. Dissertação de Mestrado,

DEES, EE/UFMG, Belo Horizonte, abril 2002.

Chijiiwa. R. et al. Development and Practical Application of Fire-Resistant Steel for

Buildings. Nippon Steel Technical Report, n.58, p. 47-55, july 1993.

Faria, A. V. et al. Desenvolvimento de Aço Resistente ao Fogo. Metalurgia e Materiais, p.196-201, março 1996.

Fushimi, M., Chikaraishi, H., Keira, K. Development of Fire-Resistant Steel Frame

Buildings Structures. Nippon Steel Technical Report, n.66, p. 29-36, july 1995.

Kubota. S., Sakumoto.Y. Development of the Fire-Protective System (Membrane System)

Using Fire-Resistant Steel for Cooperative Houses. Nippon Steel Technical Report,

n.79, p. 53-60, january 1999.

Lawson, R. M. Behavior of Steel Bean-to-Column Connections in Fire. The Structural Engineer, v. 68, n. 14, p. 263-271, july 1990.

Nippon Steel Technical Report. Fire-Safe Design in Buildings Using Fire-Resistant Steel

Without Fire Protection. n. 77, p. 88-89, july 1998.

Otani, K. Recent Trend of Technology for Steel Plates Used in Building Construction. Nippon Steel Technical Report, n. 54, p.27-36, july 1992. apud (Starling, 2000).

Rodrigues, F. C., Starling, C. M. D., Bernardes, G. F. Dimensionamento em Situação de

Incêndio de Perfis em Aços Resistentes ao Fogo e Estruturais Convencionais.

Trabalho apresentado no I Congresso Internacional da Construção Metálica – I CICOM, São Paulo, SP, Brasil, novembro 2001.

Sakumoto, Y. et al. High-Temperature Properties of Fire-Resistant Steel for Buildings. Journal of Structural Engineering, v. 118, n. 2, p. 392-407, february 1992.

Sakumoto. Y. et al. Fire Resistance of Fire-Resistant Steel Columns . Journal of Structural Engineering, v.120, n. 4, p. 1103-1121, april 1994.

Sakumoto. Y. Research on New Fire-Protection Materials and Fire-Safe Design. Journal of Structural Engineering, v. 125, n. 12, p. 1415-1422, december 1999.

Sakumoto. Y., SAITO. H. Fire-Safe Design of Modern Steel Buildings in Japan. Journal of Constructional Steel Research, n. 33, p. 101-123, 1995.

Sha. W. Fire Resistance of Floors Constructed with Fire Resistance Steels. Journal of Structural Engineering, v. 124, n. 6, p. 664-670, june 1998.

Starling, C. M. D. Estrutura e Propriedades Mecânicas Durante e Após Incêndio da

Solda de Aços Resistentes ao Fogo para a Construção Civil. Tese de Doutorado,