ESTUDO COMPARATIVO DE PROJETO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO EM SITUAÇÃO NORMAL E DE INCÊNDIO.
COMPARATIVE STUDY OF ARMED CONCRETE STRUCTURES IN NORMAL SITUATION AND FIRE.
MOREIRA, Henrique Alves1 FORNAZIER, Kevin Ferreira2 DOMINICINI, Wagner Klippel3
RESUMO
O contato do elemento estrutural com elevadas temperaturas causa alterações no concreto, afetando suas propriedades mecânicas. Isto porque, quando sofre um aumento de temperatura, a estrutura apresentaredução em sua resistência à compressão e em seu módulo de elasticidade. Neste trabalho é apresentado o dimensionamento de um edifício residencial em situações normais segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014) – “Projeto de estruturas de concreto – Procedimento” - eé realizada verificação dos elementos estruturais em situação de incêndio, através do método tabular conforme a NBR 15200(ABNT, 2012) - “Projetos de estrutura de concreto em situação de incêndio – Procedimentos” -. As inadequações das dimensões dos elementos estruturais para a situação de incêndio, verificadas neste trabalho, demonstram a importância de se observar as prescrições presentes na NBR 15200 (ABNT, 2012).
Palavras-chave:Concreto; Incêndio; Estrutura.
ABSTRACT
The contact of the structural element with high temperatures causes changes in the concrete, affecting its mechanical properties. This is because, when subjected to an increase in temperature, the structure presents a reduction in its compressive strength and in its modulus of elasticity. In this work the design of a residential building in normal situations according to NBR 6118 (ABNT, 2014) - "Design of concrete structures - Procedure" is presented and verification of the structural elements in a fire situation is performed, using the tabular method NBR 15200 (ABNT, 2012) - "Concrete structure projects in a fire situation - Procedures". The inadequacies of the dimensions of the structural elements for the fire situation,
1Graduando do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário são Camilo-ES, henriqueam87@gmail.com.
2Graduando do Curso de Engenharia Civil do Centro Universitário são Camilo-ES, k.fornazier@gmail.com.
3Professor orientador: Mestre, Centro Universitário São Camilo-ES, wagner.kd@gmail.com. Cachoeiro de Itapemirim Novembro de 2017– ES.
verified in this work, demonstrate the importance of observing the prescriptions present in NBR 15200 (ABNT, 2012).
Keywords: Concrete; Fire; Structure.
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, as medidas de segurança contra incêndio ficaram em segundo plano por um longo período de tempo, até grandes casos acontecerem em meados dos anos 70, como dos edifícios Andraus (1972) e Joelma (1974).
O grande incêndio no edifício Joelma (Figura 1) comoveu não só o Brasil, mas também o mundo. Este caso registrou óbito de aproximadamente 187 pessoas e mais de 300 feridos. Somado ao escasso conhecimento dos moradores sobre proteção nessas situações, havia ausência de legislação que instituía a segurança contra incêndios. Desta forma, noticiários da época atribuíram parte da responsabilidade pelo acidente ao código de obras, que permanecia inalterado desde 1934.
Figura 1 - Incêndio Ed. Joelma. Fev. 1974.
Fonte: Jornal cruzeiro
Com a conscientização sobre a importância de normas e legislações
específicas, iniciou-se, na década de 70, a criação de normas e legislações sobre a
segurança contra incêndio. Já nos anos 2000, foram (ABNT, 2001) e a NBR 15200
estruturas em situação de incêndio. Segundo a NBR 14432(ABNT, 2001) a proteção contra incêndio é dividida em dois tipos: A proteção ativa, definida como o tipo de proteção que é ativada manual ou
provocados pelo fogo, composta basicamente das instalações prediais de proteção contra incêndio; e a proteção passiva, que é o conjunto de medidas incorporado ao sistema construtivo do edifício, sendo funcional dur
que reage passivamente ao desenvolvimento do incêndio, não estabelecendo condições propícias ao seu crescimento e propagação.
No Brasil, não há um sistema para registros de incêndios urbanos, desta forma as informações ob
Brasil, no ano de 2015 ocorreram 1349 incêndio classificados conforme Figura 2
em meios de comunicação e não contemplam edifica
Figura 2 - ocorrências de incêndios estruturais noticiados em 2015
Segundo a Secretaria Nacional de Segurança Pública do Ministério da Justiça, o Brasil tem em média 267 mil
residenciais e florestais. No ano de 2011, o SUS registrou 1051 mortes ocorridas por incêdios ou exposição a fumaça.
incêndio. Já nos anos 2000, foram criadas as normas NBR 14432 NBR 15200 (ABNT, 2004) (atualizada em 2012), referente estruturas em situação de incêndio. Segundo a NBR 14432(ABNT, 2001) a proteção contra incêndio é dividida em dois tipos: A proteção ativa, definida como o tipo de proteção que é ativada manual ou automaticamente em resposta aos estímulos provocados pelo fogo, composta basicamente das instalações prediais de proteção contra incêndio; e a proteção passiva, que é o conjunto de medidas incorporado ao sistema construtivo do edifício, sendo funcional durante o uso normal da edificação e que reage passivamente ao desenvolvimento do incêndio, não estabelecendo condições propícias ao seu crescimento e propagação.
No Brasil, não há um sistema para registros de incêndios urbanos, desta forma as informações obtidas são subestimadas. De acordo com o Instituto Sprinkler Brasil, no ano de 2015 ocorreram 1349 incêndios, média de 112 por mês classificados conforme Figura 2. Os dados se baseiam em informações coletadas em meios de comunicação e não contemplam edificações residenciais.
ocorrências de incêndios estruturais noticiados em 2015
Fonte: Instituto Sprinkler Brasil
Segundo a Secretaria Nacional de Segurança Pública do Ministério da Justiça, o Brasil tem em média 267 mil incêndios anualmente incluindo ocorrências residenciais e florestais. No ano de 2011, o SUS registrou 1051 mortes ocorridas por incêdios ou exposição a fumaça.
criadas as normas NBR 14432 (atualizada em 2012), referentesàs estruturas em situação de incêndio. Segundo a NBR 14432(ABNT, 2001) a proteção contra incêndio é dividida em dois tipos: A proteção ativa, definida como o tipo de automaticamente em resposta aos estímulos provocados pelo fogo, composta basicamente das instalações prediais de proteção contra incêndio; e a proteção passiva, que é o conjunto de medidas incorporado ao ante o uso normal da edificação e que reage passivamente ao desenvolvimento do incêndio, não estabelecendo
No Brasil, não há um sistema para registros de incêndios urbanos, desta tidas são subestimadas. De acordo com o Instituto Sprinkler édia de 112 por mês . Os dados se baseiam em informações coletadas
ções residenciais.
ocorrências de incêndios estruturais noticiados em 2015
Segundo a Secretaria Nacional de Segurança Pública do Ministério da
incêndios anualmente incluindo ocorrências
residenciais e florestais. No ano de 2011, o SUS registrou 1051 mortes ocorridas por
É intrínseco ao ser humano exigir segurança em seu local de moradia e de trabalho. Atualmente, sabe-se que a consideração de prevenção ao incêndio deve ser estendida ao projeto de estruturas de edificações de maior porte ou risco, devido aos materiais estruturais perderem resistência em situação de incêndio (SILVA, 2012).
As manifestações patológicas decorrentes do incêndio na estrutura ocorrem no concreto, isto porque, trata-se de um material micro fissurado que depende de água para que suas reações aconteçam e garantam a resistência necessária para a utilização. Submetido ao calor do incêndio, há pressão de vapor de água sobre as microfissuras do concreto adicionando mais tensões atuantes na estrutura e a alteração das propriedades mecânicas do concreto e do aço, ou seja, resistência a tração e compressão e módulo de elasticidade.
É notável que as probabilidades de grandes incêndios acontecerem são baixas, porém os colapsos de estruturas que são submetidas a essas cargas não são incomuns. Desta forma, o objetivo deste trabalho é verificar a aceitabilidade das lajes, vigas e pilares de um projeto estrutural em concreto armado, dimensionados de acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2014), em situação de incêndio, seguindo as recomendações da NBR 15200 (ABNT, 2012).
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A inclusão de medidas de proteção e combate ao incêndio e, principalmente, de meios que permitam o rápido abandono dos ambientes em chamas deve ser conscientemente analisado pelo projetista, junto ao proprietário, levando em consideração as condições especificas da obra, tais como: porte da edificação, número de usuários e tipo de utilização, além das exigências do poder público, das recomendações das normas técnicas para o projeto e da especificação de equipamentos. (SILVA, 2012)
Apesar de o concreto possuir excelente comportamento mecânico, deve-se
considerar fatores que possam afetar suas características, como por exemplo, a
ação de elevadas temperaturas. “Os vários materiais que constituem o concreto
trabalham em conjunto como um único apresentando boas características térmicas
para o intervalo de temperatura dentro das condições normais de uso” (COSTA, et
al., 2002). Em um incêndio, as altas temperaturas causam a redução da resistência e do módulo de elasticidade, podendo gerar o rápido colapso da estrutura. Assim, a norma NBR 14432(ABNT, 2001) exige o tempo mínimo de resistência para que se garanta segurança à vida.
2.1. AÇÃO TÉRMICA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO.
Em situação de incêndio, a ação térmica é excepcional e deve ser considerada no projeto estrutural. Para tal situação, a ação térmica é descrita pelos fluxos de calor por radiação e por convecção nos elementos estruturais (Figura 3), que são provocados pela diferença de temperaturas pelos gases quentes do ambiente em chamas e os componentes da estrutura.(SILVA, 2012)
A radiação térmica é o processo pelo qual o calor é transferido de um corpo em alta temperatura para outro em temperatura mais baixa através de ondas eletromagnéticas, não sendo necessário o contato direto entre os corpos. Em um compartimento de uma edificação em chamas, a radiação é proveniente dos gases quentes, das chamas e das paredes aquecidas. Se a fumaça tiver grande densidade de fuligem, resultante da combustão incompleta dos materiais combustíveis do compartimento, a radiação provinda dos gases será predominante (SILVA, 2012).
A convecção é o processo de transferência de calor que envolve a movimentação de gases e líquidos. Devido à diferença de densidade entre os gases com diferentes temperaturas no ambiente em chamas, estes se movimentam e entram em contato com as estruturas, transferindo-lhes calor(SILVA, 2012).
Figura 3 - Fluxos de Calor.
Fonte: <https://physicalexchange.wordpress.com/2012/08/18/irradiacao-termica/>. Acesso em: 09 de Set.de 2017.
Assim, o cenário de incêndio depende da influência da radiação e da convecção, que são forças responsáveis por este processo. Desta forma, ele é influenciado pelas propriedades térmicas dos materiais, pela carga de incêndio, pelas condições de ventilação, pela divisão física, volume e geometria do espaço incendiado e pela combinação dos gases quentes presentes (Figura 4).
Figura 4 - Cenário de incêndio.
Fonte: Costa (2008).
2.1.1. INCÊNDIO REAL E INCÊNDIO PADRÃO
O incêndio real eo incêndio padrão são caracterizados por curvas
temperatura-tempo. Podemos observar na Figura 5que a curva possui dois ramos: o
ascendente e o descendente. O primeiro, representa a elevação de temperatura e, o segundo, o estágio do resfriamento. (COSTA, 2008).
Figura 5 - Estágios de um incêndio real.
Fonte: Costa (2017).
Essa curva apresenta um ramo inicial, de baixa temperatura. Nesse período, pode haver riscos à vida humana em função dos gases tóxicos asfixiantes exalados do material combustível em chamas. Os projetos de arquitetura e de instalações devem prever a desocupação rápida da edificação nessa fase do incêndio.
Entretanto, nesse período não há riscos à estrutura, que necessita de altas temperaturas para perder capacidade resistente. Essa fase é denominada de pré- flashover (SILVA, 2012).
O Flashover é conhecido como o instante ao qual o incêndio torna-se generalizado e deixa de ser controlável. O pós-flashover é caracterizado por uma mudança súbita de crescimento; nesse estágio, todo o material combustível no compartimento entra em combustão. Após todo o material combustível extinguir-se, o incêndio entra na fase de resfriamento onde há redução gradativa da temperatura.
É importante ressaltar que a curva de incêndio real considera diversos tipos de variáveis, dependendo do local onde está o compartimento estudado. Assim, vale a consideração da proteção ativa (detectores de incêndio, chuveiros automáticos, entre outros) e da proteção passiva (afastamentos, janelas e aberturas em geral, entre outros).
Os meios de proteção passiva são efetivos após o flashover, quando o incêndio passa a ser controlado pela carga de incêndio, até sua completa queima.
Eles asseguram as ações de resgate ao incêndio, por meio da resistência estrutural,
das facilidades de acesso ao local do sinistro, ou do confinamento do incêndio,
impedindo a sua propagação às edificações adjacentes (COSTA, 2008).
Em virtude da dificuldade de ordem prática, são raros os casos em que esse modelo (curva de incêndio real) é empregado. Segundo Silva (2012), observando-se a evolução científica na área de engenharia de estruturas em situação de incêndio, pode-se prever que dentro de alguns anos o uso de curvas reais temperatura-tempo dos gases quentes se generalize, mas, por enquanto, ela é utilizada somente em estudos acadêmicos ou para edifícios de grande porte em que a economia no dimensionamento das estruturas justifique o custo do projeto.
Diante das inúmeras variáveis proporcionadas pelo cenário de incêndio, as normas utilizam o modelo do incêndio-padrão (Figura 6), cuja característica é obter a temperatura crescente com o tempo, ou seja, sem considerar as características do ambiente.
Figura 6 - Curva de incêndio padrão.
Fonte: Costa (2008).
É importante ressaltar que essa curva não representa um incêndio real.
Quaisquer conclusões que tenham por base essas curvas devem ser analisadas com cuidado, pois não correspondem ao comportamento real do incêndio ou das estruturas expostas ao fogo (SILVA, 2012).
A equação utilizada pelas normas brasileiras NBR 14432 (ABNT, 2001) e NBR 5628 (ABNT, 2001) determina a curva padronizada a partir da temperatura e do tempo exposição.
= 345 8 + 1 +
,sendo:
, temperatura dos gases no ambiente em chamas (ºC);
,
, temperatura dos gases no instante t = 0, geralmente admitida 20º C t, tempo em minutos.
A Tabela 1 apresenta valores de temperatura determinados de acordo com o tempo pré-estabelecido a partir da equação do modelo incêndio-padrão.
Tabela 1 - Temperatura conforme modelo do incêndio-padrão.
Tempo (min) Temperatura (ºC) Tempo (min) Temperatura (ºC)
0 20 95 1014
5 576 100 1022
10 678 105 1029
15 739 110 1036
20 781 115 1043
25 815 120 1049
30 842 125 1055
35 865 130 1061
40 885 135 1067
45 902 140 1072
50 918 145 1077
55 932 150 1082
60 945 155 1087
65 957 160 1092
70 968 165 1097
75 979 170 1101
80 988 175 1106
85 997 180 1110
90 1006
Temperaturas conforme modelo do incêndio padrão
Fonte: Silva (2012).
2.1.2. COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS DO CONCRETO EM ALTAS TEMPERATURAS
2.1.2.1. ÁGUA
Em altas temperaturas, a dilatação térmica da água influencia sobremaneira o processo de lascamentos do concreto por meio dos gradientes de pressão associados à vaporização e transporte de grandes quantidades de água (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
O excesso de água contida nas pastas de cimento Portland saturadas participa na formação de gradientes significativos de pressão na rede de poros do concreto durante a transferência de massas (evaporação da água e liberação de ar incorporado) e, consequentemente, no aumento das trincas decorrentes da contração da pasta. Por essas razões, o excesso de água livre contribui na desagregação acelerada da pasta (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
2.1.2.2. PASTA DE CIMENTO PORTLAND
Entre 4 e 80 °C, os produtos de hidratação do cimento Portland comum permanecem quimicamente estáveis. As alterações na pasta de cimento são essencialmente físicas como: porosidade, crescimento de fissuras e energia de superfície (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
A água absorvida pelo concreto endurecido em virtude do ambiente é evaporada entre 65 °C e 80 °C e a água livre nos interstícios do concreto, entre 80
°C e 100 °C (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
Aos 100ºC a água livre é completamente evaporada, iniciando o aparecimento de fissuras na microestrutura devido à expansão térmica conduzida pela evaporação da água (até 100ºC) e a contração da própria pasta pela perda continua de água.
Desta forma, a 180º acontece a desestruturação química da pasta.
Acima dos 200 °C ocorre uma leve reação físico-química: a água evaporada reduz as forças de Van der Walls entre as camadas de C-S-H. A perda parcial da adesão química acentua o aparecimento de fissuras e uma ligeira perda de resistência, persistindo até 300 °C (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
As microfissuras na zona de transição colaboram principalmente na redução da resistência à flexão e do módulo de elasticidade do concreto endurecido.
Enquanto aos 204 °C, o módulo de elasticidade apresenta 70% a 80% do seu valor
inicial, aos 427 °C ele apresenta 40% a 50% (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA,
2002).
Uma série de reações na pasta de cimento endurecida ocorrem entre 400 °C e 600 °C: dessecação dos poros seguida da decomposição dos produtos de hidratação e destruição do gel de C-S-H. A reação endotérmica da desidratação do hidróxido de cálcio Ca(OH)2 libera o óxido de cálcio CaO e água, sendo esta última evaporada. Essas reações químicas são acompanhadas de redução de volume, contribuindo para o aumento de fissuras (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
2.1.2.3. AGREGADOS
Quando o concreto é submetido à temperatura elevada, as tensões térmicas dentro do concreto são geradas na interface do agregado graúdo pela diferença de dilatações térmicas entre a argamassa e o próprio agregado graúdo. A intensidade das tensões térmicas é influenciada pela forma geométrica e combinação dos agregados. A forma como as microfissuras aparecem e se propagam é influenciada pela intensidade dessas tensões e, por conseguinte, levam ao enfraquecimento do concreto (COSTA, FIGUEIREDO & SILVA, 2002).
2.1.3. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL
A ação do incêndio pode ocasionar as rupturas localizadas. Tais rupturas podem fazer o elemento estrutural seccionar-se, aumentando o risco de colapso iminente na estrutura global, como demonstrado na figura 7.
O pórtico de concreto armado aquecido a mais de 100º C tem sua resistência e módulo de elasticidade reduzida ao mesmo tempo em que acontece a dilatação térmica dos componentes estruturais (COSTA, 2008).
As vigas, quando atingem altas temperaturas, sofrem redução de resistência e grandes flechas, contudo não são tão perigosas como os pilares, porém se suas extremidades forem afetadas, tornam-se perigosas, já que agem diretamente na estabilidade do edifício. (COSTA, 2008)
Já o colapso das lajes não implica em grandes riscos, pois são elementos que
possuem grande capacidade de deformação, entretanto, se a viga perder
capacidade de suporte, as lajes podem vir a colapso junto à viga, ocasionando
sobrecarga nos elementos inferiores podendo gerar o colapso progressivo do
pórtico. (COSTA, 2008)
No incêndio, os pilares internos podem ser submetidos a flexão composta oblíqua, devido aos carregamentos adicionais vindo das tensões térmicas. A resistência e rigidez são reduzidas na região próxima a face aquecida, gerando uma resposta assimétrica às tensões solicitantes. Com isso, tanto a movimentação horizontal decorrente das dilatações térmicas de lajes e vigas quanto o carregamento no projetodimensionado particularmente a flexão normal composta, podem ocasionar o colapso. (COSTA, 2008).
Figura 7 - Efeitos dos colapsos localizados em um incêndio sobre o edifício.
Fonte: Costa (2008).
2.2. SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO
2.2.1. TRRF (TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO)
O tempo requerido de resistência ao fogo é especificado pela NBR 14432
(ABNT, 2001), que estabelece as condições que devem ser atendidas pelos
elementos estruturais sujeitos ao incêndio padrão, a fim de evitar o colapso. Os
valores do TRRF são tabelados em função do tipo de uso da construção e sua
altura, considerando a pior situação para o incêndio, ou seja, sem outro tipo de proteção.
É importante salientar que o TRRF é apenas um parâmetro para projeto.
Apesar de ser fornecido como unidade temporal, não tem ligação com o tempo de desocupação, tempo de duração do incêndio ou o próprio tempo para a resposta do corpo de bombeiros (SILVA, 2012)
2.2.2. NORMAS REGULAMENTADORAS DO CORPO DE BOMBEIROS MILITAR DO ESPÍRITO SANTO (CBMES)
No Espirito Santo, os critérios de Segurança contra incêndios são prescritos pela lei 9269 de 21 de julho de 2009, que estabelece ao Corpo de BombeirosMilitar do Espírito Santo (CBMES) a responsabilidade de estudar, analisar, planejar, normatizar, exigir e fiscalizar o serviço de segurança e seus bens contra incêndio e pânico. Com isso, as normas técnicas (NTs) do CBMES foram criadas estabelecendo as condições necessárias e medidas de controle ao incêndio.
2.2.2.1. NT 02 – EXIGÊNCIAS DAS MEDIDAS DE SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO E PÂNICO NAS EDIFICAÇÕES E ÁREAS DE RISCO
A Norma técnica 02 do CBMES tem por objetivo estabelecer as condições nas quais será necessário a utilização de medidas para o combate ao incêndio.
Resumidamente, em forma de tabelas de acordo com o tipo, a área e a altura da edificação.
2.2.2.2. NT 09 – SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO DOS ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO
A norma técnica 09 do CBMES, estabelece as condições que devem ser
atendidas pelos elementos estruturais e de compartimentação, quanto ao tempo
requerido de resistência ao fogo (TRRF), a fim de se evitar o colapso estrutural em
tempo suficiente de se cumprir os objetivos da legislação de segurança contra
incêndios do estado do Espirito Santo.
As instruções da NT 09 devem ser aplicadas as edificações que a norma NT 02 prescreve, estabelecendo os tempos requeridos de resistência ao fogo, conforme a Tabela 2.
Tabela 2 – Tempos requeridos de resistência ao Fogo (TRRF).
Fonte: NT 09 (CBMES, 2010).
2.3. PROJETOS DE ESTRUTURAS DE CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO
2.3.1. VERIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO
Segundo a NBR 15200 (ABNT, 2012), o dimensionamento de pilares, vigas e lajes em situação de incêndio apresenta 3 métodos de dimensionamento, o tabular, o simplificado e o método analítico. É descrito, a seguir, apenas o método tabular, por se tratar do único método cuja aplicação não necessita da execução de ensaios destrutivos.
2.3.1.1. MÉTODO TABULAR
A NBR 15200 (ABNT, 2012) apresenta para o método tabular as dimensões mínimas a serem usadas no projeto em função do TRRF, contudo todas as dimensões devem respeitar a NBR 6118 (ABNT, 2014).
2.3.1.1.1. DIMENSIONAMENTO DE VIGAS
A NBR 15200 (ABNT, 2012), informa que o dimensionamento deve somente obedecer às dimensões mínimas apresentadas nas tabelas em função do TRRF e do tipo do elemento estrutural. A partir disso, encontra-se o valor de largura mínima e distância mínima do eixo da armadura longitudinal com a face exposta ao fogo das vigas, estão representados na tabela 3 respectivamente com “b
min” e “c
1”.
O critério do dimensionamento das tabelas se faz com base em ensaios onde mostram que o concreto em situação de incêndio rompe, geralmente, por flexão ou flexocompressão, desta forma, o método considera apenas as armaduras longitudinais. (SILVA, 2012)
Tabela 3 - Dimensões mínimas para vigas continuas ou em pórticos.
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2012)
2.3.1.1.2. DIMENSIONAMENTO DE LAJES
Semelhantemente ao dimensionamento das vigas, as tabelas referentes às lajes apresentam o valor da espessura mínima para a laje e o valor da distância do eixo da armadura longitudinal até a face do elemento exposto ao fogo. Os valores da espessura da laje na Tabela 4 correspondem os mínimos para garantir a função corta fogo (SILVA, 2012)
Tabela 4 - Dimensões mínimas para lajes simplesmente apoiadas.
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2012)
2.3.1.1.3. DIMENSIONAMENTO DE PILARES COM UMA FACE EXPOSTA.
O dimensionamento de pilares com uma face exposta é definido pela Tabela 5, deve atender as dimensões de b
mine c
1.
Tabela 5 - Dimensões mínimas para pilares com uma face exposta ao fogo.
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2012)
2.3.1.1.4. DIMENSIONAMENTO DE PILARES COM MAIS DE UMA FACE EXPOSTA AO FOGO.
Os pilares com mais de uma face exposta podem ser dimensionados pela tabela 6. Para TRRF ≥ 90 min,os pilares aos quais a área da seção de aço seja 2%
da área de concreto, é necessária distribuição uniforme das armaduras longitudinais a seção (SILVA, 2012).
A determinação da tabela a ser utilizada e dos dados deve atender as prescrições da NBR 15200 (ABNT, 2012) e para isso deve-se utilizar as equações seguintes:
Taxa mecânica de armadura:
(Equação 1) A taxa mecânica da armadura, juntamente com o tamanho do pilar determina a tabela que será utilizada, no presente estudo, apresentamos a tabela 6, referente aos valores descritos no Item 4 deste estudo.
Para determinação de f
cd(resistência de projeto do concreto) e f
yd(resistência de projeto de escoamento do aço), ambos coeficientes de minoração são iguais a 1, desta forma, serão iguais a suas resistências características. A
ce A
ssão as áreas de seção do concreto e do aço, respectivamente.
Determinação de Ѵ
fi(força normal adimensionalizada em situação de incêndio):
(Equação 2) N
0Sd,fié o valor do esforço normal de compressão de 1º ordem em situação de incêndio, assumido como 0,7 do valor para temperatura ambiente (N
0Sd).
A equação 3 determina aesbeltez do pilar:
(Equação 3)
Onde lef,fi é o comprimento efetivo do pilar em situação de incêndio e r, é o raio
de giração do pilar (Equação 4) é definida por:
(Equação 4) I é o momento de inercia e A
cé a área de seção do concreto do pilar.
Com isso as dimensões mínimas são definidas pela tabela 6.
Tabela 6 – Dimensões mínimas para pilares com ω = 0,1, emáx = 10 mm para b ≥ 400 mm ou emáx
= 0,025 para b > 400 mm.
Fonte: NBR 15200 (ABNT, 2012).
3. MATERIAIS E MÉTODOS.
3.1. DESCRIÇÃO DA EDIFICAÇÃO
Com base nas informações obtidas sobre projetos de estruturas de concreto armado em situação de incêndio, confeccionou-se um projeto estrutural, de acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2014), de um edifício residencial de 5 pavimentos, contendo térreo, 4 pavimentos tipo e cobertura, com altura de pé direito de 3,24 m e altura total do edifício de 16,20 m (Figura 8).Para o cálculo da estrutura considerou- se o edifício de concreto armado com fck de 25 Mpa, classe de agressividade II - moderada (cobrimento nominal de 2,5 cm para lajes e 3,0 cm para vigas e pilares) e aço CA 50, a fim de dimensiona-lo para verificação da resistência contra incêndios estabelecida pela NBR 15200 (ABNT, 2012) e respeitando as normas técnicas do CBMES.
Figura 8 - Corte esquemático da edificação.
Fonte: Autores. 2017.
Neste projeto não se considerouo cálculo da escada, pois, segundo Silva
(2012), as estruturas das escadas enclausuradas não necessitam de verificação,
isso porque o fogo não pode atingir a região dos degraus, pois traria grande risco de vida aos habitantes. Já em escadas não enclausuradas, permitidas em edifícios de baixa altura, admite-se que a desocupação do local aconteça antes do incêndio as atingir.
3.2. CLASSIFICAÇÃO DA EDIFICAÇÃO
De acordo com a NT 02 (CBMES,2013) para edificações residenciais com áreas superiores a 900m² ou altura superior a 9 m, deve-se realizar a verificação estrutural contra incêndio, conforme Tabela 7.
Tabela 7 - Exigências de medidas de segurança contra incêndio e pânico nas edificações e áreas de risco
Fonte: Adaptado de NT 02 (CBMES, 2013)
Para a determinação do TRRF mínimo utiliza-se a norma NT 09 (CBMES, 2010), sabendo-se que a edificação utilizada é do tipo residencial e se encaixa na classificação de altura tipo P3 (12 m < h ≤ 23 m), o TRRF mínimo a ser utilizado é de 60 min.
3.3. DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE CONCRETO ARMADO
O cálculo da estrutura em situação normal de temperatura foi iniciado pelo cálculo das lajes, ao qual utilizamos o método de Marcus para obtenção de momentos e suas reações nas vigas.
As vigas foram determinadas como contínuas e calculadas utilizando as
reações das lajes e sua carga peso.
Por fim, os pilares foram dimensionados conforme os valores obtidos pelas reações de cargas das vigas e seu peso próprio. Todo o procedimento foi feito seguindo a NBR 6118 (ABNT, 2014).
3.4. DETERMINAÇÃO DO COBRIMENTO (c
1)
Neste projeto adotou-se o cobrimento mínimo prescrito pela NBR 6118 (ABNT, 2014), ou seja, o cobrimento nominal decrescido da tolerância, por ser o caso mais desfavorável. Desta forma, utilizou-se o cobrimento mínimo de 15 mm para lajes e 20 mm para vigas e pilares.
O parâmetro de maior importância para determinação de resistência ao fogo é o cobrimento (c
1), desta forma, a sua determinação é feitautilizando a equação 5:
c
1=C
min+ Ø
estribo+ ½ Ø
Arm.longitudinal. (Equação 5)
Onde: C
miné o cobrimento nominal prescrito na NBR 6118 (ABNT, 2014);
Ø
estribo, é o diâmetro do estribo; e Ø
Arm.longitudinal, é o diâmetro da armadura longitudinal a seção do elemento.
3.5. MÉTODO DE VERIFICAÇÃO DA ESTRUTURA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO
Para a verificação estrutural foi utilizado o método tabular para vigas (Tabela 3), lajes (Tabela 4), pilares com uma face exposta ao fogo (Tabela 5)e, para o pilar com mais de uma face exposta, as dimensões mínimas foram determinadas pela Tabela 6 conforme os valores encontrados nas equações do item 2.3.1.1.4, seguindo os critérios estabelecidos pela NBR 15200 (ABNT, 2012).
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
No presente trabalho foi realizada uma análise comparativa entre o
dimensionamento de uma estrutura de 5 pavimentos para ações normais e para
situação de incêndio.AFigura 9 mostra a planta de forma da edificação.
Figura 9 - Planta de forma.
Fonte: Autores, 2017.
Como observado na Figura 9, a edificação em condições normais possui lajes com altura de 10 cm, vigas de seção 15x40 cm e pilares com seção de 20x40 cm.O resultado do dimensionamento das armaduras se encontra na Tabela 8
.Utilizando o método de cálculo descrito no item 3.4 encontrou-se resultados de c
1igual a 18,15 mm para lajes e 30 mm para vigas e pilares.
Tabela 7 - Dimensionamento de armaduras.
Fonte: Autores, 2017.
O pilar P5, que possui mais de uma face exposta, apresenta taxa mecânica de armadura ( ω ) de 0,1, ѵ
fide 0,3, raio de giração (r) de 5,77 cm e esbeltez em situação de incêndio ( λ
fi) de 30%.
Para a estrutura ter resistência mínima ao fogo, o cobrimento (c
1) e largura de sua base (b) devem atender as dimensões mínimas das tabelas conforme item 2.3, onde são apresentadas combinações entre c
1e b
minpara atender o dimensionamento do projeto.Concluindo que para um TRRF de 60 min as dimensões encontradas em condições normais de temperatura atendem as condições de resistência ao fogo.
Para fins de projeto, não é necessário a verificação para outros valores de TRRF, entretanto, no presente trabalho foi verificado as dimensões de projeto dos elementos estruturais para resistir a 90, 120 e 180 min.
Para TRRF de 90 min as lajes atendem o dimensionamento mínimo. As vigas atendem o dimensionamento mínimo de b
mna combinação 1, porém não atenderam a especificação para c
1.Este valor foi conferido por meio da interpolação de valores, ao qual c
1mínimo é 35,9 mm.Desta forma, a Tabela 9 apresenta os elementos que não atendem a verificação de resistência ao fogo para TRRF de 90 min. Assim, o valor das dimensões de cobrimento e largura mínimos para vigas devem atender as combinações de 140/37 ou 250/25.
Tabela 9 – Elementos estruturais não conformes para TRRF de 90 min.
Elemento estrutural As (cm²) Ø aço (mm) Número de barras
Laje¹ 1,51 ² 6,3 24
Vigas bordas 1,135 10 2
Vigas centrais 2,28 10 3
Pilares 4,71 10 6
Observações: ¹ Armadura com espaçamento de 18 cm
² Valor expressado em cm²/m
Fonte: Autores (2017).
De acordo com a Tabela 10, nenhum dos elementos estruturais possui resistência mínima para TRRF de 120 min, com exceçãodo pilar P5. De acordo com o item 2.3 os elementos estruturais devem ter as seguintes dimensões mínimas: laje com h=120 mm e C
1= 20 mm, viga com b
m/C
1=190/45, 300/35, 450/35 ou 500/30 e para pilares com uma face exposta b
m/C
1= 175/35.
Tabela 10 – Elementos estruturais não conformes para TRRF de 120 min.
Fonte: Autores (2017).
Vale ressaltar que “os valores de h indicados nas tabelas são os mínimos para garantir função corta fogo. Caso não haja exigência de compartimentação, a espessura das lajes poderá ser aquela calculada para temperatura ambiente conforme a ABNT NBR 6118”. (SILVA, 2012).
Para TRRF de 180 minutos, nenhum dos elementos atende as dimensões mínimas. Diante do exposto, para atender as exigências mínimas de resistência ao fogo as lajes devem ter h = 150 mm e c
1=30 mm, as vigas devem ter b
m/c
1= 240/60,
PAVIMENTOS LAJE VIGA PILAR
Cobertura - V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9 -
Pvto Tipo 3 - V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9 -
Pvto Tipo 2 - V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9 -
Pvto Tipo 1 - V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9 -
Térreo - V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9 -
Elementos Estruturais não conformes com TRRF 90 min Pavimentos Lajes Vigas
PAVIMENTOS LAJE VIGA PILAR
Cobertura L1, L2, L3, L4 V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9
P1, P2, P3, P4, P6, P7, P8, P9 Pvto Tipo 3 L1, L2, L3, L4 V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9
P1, P2, P3, P4, P6, P7, P8, P9 Pvto Tipo 2 L1, L2, L3, L4 V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9
P1, P2, P3, P4, P6, P7, P8, P9 Pvto Tipo 1 L1, L2, L3, L4 V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9
P1, P2, P3, P4, P6, P7, P8, P9 Térreo L1, L2, L3, L4 V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7,
V8, V9
P1, P2, P3, P4, P6, P7, P8, P9
Elementos Estruturais não conformes com TRRF 120 min Pavimentos Lajes Vigas
400/50, 550/50 ou 600/40. Os pilares com uma face exposta ao fogo devem ter dimensão mínima de b
m/c
1= 230/35 e para o pilar P5, com mais de uma face exposta, o c
1de projeto atende ao mínimo exigido de 25 mm, porém parab
mas dimensões de projeto não atendem, devendo assim ter valor superior a 250 mm.
A Tabela 11 apresenta todos os resultados obtidos no estudo e propõe a solução para atender a NBR 15200 (ABNT, 2012).
Tabela 11 - Resultados obtidos.
Fonte: Autores, 2017.
b c1
60 120/25 150 30 SIM -
90 140/37 ou 250/25 150 30 NÃO 150/36¹
120 190/45 ou 300/35 150 30 NÃO 190/45
180 240/60 ou 400/50 150 30 NÃO 240/60
60 80/10 100 18,15 SIM -
90 100/15 100 18,15 SIM -
120 120/20 100 18,15 NÃO 120/20
180 150/30 100 18,15 NÃO 150/30
60 155/25 200 30 SIM -
90 155/25 200 30 SIM -
120 175/35 200 30 NÃO 200/35²
180 230/55 200 30 NÃO 230/55
60 150/25 200 30 SIM -
90 200/25 200 30 SIM -
120 200/25 200 30 SIM -
180 250/25 200 30 NÃO 250/30
Observações:
Solução (b/c1)
¹ - Valor de c1 obtido por interpolação de valores
² - Utilização do c1 mínimo
Dimensões mínimas para resistência ao fogo - bmin (h, para lajes) /c1 (mm) TRRF (Min)
Elemento estrutural Conformidade
Dimensionamento de projeto - b/c1 (mm)
Viga
Laje
Pilar com uma face exposta
Pilar com duas faces expostas
