IV EREEC João Pessoa - PB 19 a 21 de setembro de 2017

19 a 21 de setembro de 2017

ANÁLISE COMPARATIVA DO PROCESSO DE VERIFICAÇÃO

DE PEÇAS FLEXO-COMPRIMIDAS SOB SITUAÇÃO

DE INCÊNDIO PELAS ABORDAGENS NORMATIVAS

BRASILEIRA, AMERICANA E EUROPEIA

Raquel Ferreira do Nascimento ([email protected]) Leovegildo Douglas Pereira de Souza ([email protected])

Resumo: A ocorrência de incêndios em edifi cações urbanas é objeto de pesquisa em todo o mundo. Tais pesquisas, por sua vez,

norteiam os parâmetros legislativos que cada país adota como forma de padronizar e proteger as novas construções. Acredita-se que processos equivocados de construção, a utilização de materiais combustíveis e o dimensionamento inadequado da estrutura são fatores que contribuem para a propagação do fogo em casos de sinistros de incêndio e, em casos extremos, para o colapso estrutural das edifi cações. Assim, grande parte da segurança estrutural contra incêndios de uma obra é estabelecida ainda na fase de projeto. Diante disso, as normas técnicas para dimensionamento de estruturas submetidas a elevadas temperaturas foram elaboradas. O presente trabalho realiza uma análise comparativa entre as normas europeia, americana e brasileira no que tange ao dimensionamento de peças submetidas à fl exo-compressão.

Palavras-chave: Incêndio. Dimensionamento. Estruturas. Peças fl etidas.

Abstract: The occurrence of fi res in urban building sis the subject fre search around the world. Such sur veys guide the legislative

parameters thateach country adopts as a way of standardizing and protecting new constructions. Mistaken construction processes, the use of combustible materials and thein adequate dimensions of the structure are believed to contribute to the spread of fi re in cases of fi re accidents and, in extreme cases, to the structural collapse. Thus, much of the structural fi res afety can be established in the design phase. Therefore, the technical standards for designing structures subjected to high temperatures were elaborated. The present work makes a comparative analysis between the European, American and Brazilian standards regarding the dimensioning of parts subjected to fl exo-compression.

Keywords: Fire. Dimensioning. Structure. Flexed parts.

INTRODUÇÃO

Frequentemente são noticiados nos órgãos de comunicação social a ocorrência de incêndios urbanos de onde resultam avultados prejuízos materiais e muitas vezes também humanos. Após alguns eventos ocorridos na década de 1970, como o incêndio no edifício Andraus, em 1972, e no edifício Joelma, em 1974, houve o início da reformulação das medidas de segurança contra incêndios no Brasil[1]_.

Apesar do mediatismo dos incêndios fl orestais no período de verão, constata-se que são os incêndios ur-banos aqueles que mais contribuem para a contabilidade das vítimas resultantes de incêndios[2]_.

Segundo Luz Neto[3]_{, o tratamento de queimados exige largos períodos de tempo e as consequências das}

queimaduras restringe a vida social das vítimas. Outro efeito derivado dos incêndios é a perda de mercado e o desemprego para muitas pessoas, cerca de 20 % das organizações atingidas pelo fogo desaparecem defi niti-vamente. E ainda, na área patrimonial, a destruição de um objeto histórico, um marco moral ou espiritual para um país, é uma perda irreparável.

Ainda Segundo Luz Neto[4]_{, o Brasil, apesar de levantamentos estatísticos sofríveis, é o segundo país}

do mundo em número de vítimas de incêndios. Estima-se que são registradas aproximadamente 160 mor-tes e um prejuízo de aproximadamente R$ 750.000.000 por ano em sinistros de incêndio em edificações fechadas[5]_.

Apesar dos trabalhos já realizados na área, muito ainda deve ser estudado, pesquisado, planejado e troduzido em nossas regulamentações para que possamos alcançar um nível aceitável de segurança contra in-cêndio para toda a população brasileira[6]_.

O concreto, por sua vez, é um dos materiais mais presentes na construção civil com uso estrutural. Em termos de situação de incêndio, o concreto apresenta ótimo comportamento quando comparado a outros materiais estruturais como aço e madeira uma vez que não exala gases tóxicos, mantém estabilidade di-mensional e é estanque a fumaça. Porém, de acordo com Morales et al[7]_{, os diferentes constituintes do}

concre-to não reagem da mesma forma diante das altas temperaturas, o que concre-torna o efeiconcre-to do fogo um grave problema em termos de comportamento estrutural.

A elevação gradual de temperatura provoca efeitos distintos no concreto, verificando-se alteração na co-loração, perda de resistência mecânica, esfarelamento superficial, fissuração e até a própria desintegração da estrutura[8]_.

Tendo isso em vista, foram elaboradas normas para dimensionamento de elementos estruturais de con-creto armado em situação de incêndio, com a finalidade de evitar a propagação do fogo e manter a função sua função estrutural.

O objetivo do presente trabalho é realizar uma análise comparativa entre as normas europeia, americana e brasileira no que tange ao dimensionamento de peças submetidas à flexo-compressão.

1. REFERENCIAL TEÓRICO 1.1 Pilares

A NBR 6118/2004[9] _{define pilares como “elementos lineares de eixo reto, usualmente dispostos na}

ver-tical, em que as forças normais de compressão são preponderantes”. Eles têm a função de receber os esforços de estruturas que ficam sobre eles apoiados como as vigas e lajes, transmitindo as tensões às fundações ou pa-ra outros elementos de apoio.

Diante disso, os pilares são elementos de grande importância nas estruturas, tanto do ponto de vista da capacidade resistente dos edifícios quanto no aspecto de segurança[10]_{. A fim de garantir a estabilidade desses}

elementos estruturais, tona-se imprescindível a realização de um dimensionamento adequado, pautado em nor-mas técnicas elaboradas para esse fim, levando em consideração as diversas características dos materiais que os constituem, bem como o comportamento entre eles.

1.2 Efeito do fogo em estrutura de concreto armado

O concreto configura-se como um material que apresenta uma segurança considerável na ocorrência de fogo em comparação a outros materiais como plástico e madeira que emitem gases tóxicos quando expostos a temperaturas elevadas. Além disso, é capaz de suportar as mesmas em um tempo maior que o aço, cujo co-eficiente de dilatação é menor[11]_.

No entanto, a partir de uma certa temperatura o concreto tende a sofrer gradativa perda de resistência. Esse comportamento depende de uma série de fatores que estão associados aos seus componentes (pasta hidra-tada de cimento e agregados) como o grau de hidratação, proporção água-ligantes, finos existentes e o tipo de agregados[12]_{. Assim, o tipo de cada elemento constituinte bem como a forma que cada um deles se comporta}

de maneira individual diante da exposição ao fogo, define o comportamento e as propriedades do novo mate-rial formado pela associação desses (o concreto) frente as elevadas temperaturas.

O efeito da temperatura no aço em situação de incêndio apresenta-se acentuado, visto que o aço sofre maior dilatação que o concreto, aumentando o atrito entre ambos. Desse modo, a gradativa perda de resistência do concreto devido a uma série de reações químicas aliada a intensa dilatação do aço, reduz a aderência entre os materiais constituintes da estrutura.

1.3 Efeito da alta temperatura na pasta de cimento hidratada

Metha e Monteiro[13] _{(2008) ao análisar do comportamento do concreto submetido a elevadas}

tempera-turas, destacam o efeito das mesmas na pasta de cimento hidratada. Verifica-se que esse efeito depende do grau de hidratação e do estado de umidade da pasta. Sendo ela bem hidratada, é constituída principalmente de sili-catos de cálcio hidratado, hidróxido de cálcio e sulfoaluminatos de cálcio hidratados. Já se a pasta é saturada, ela contém, além desses elementos uma grande quantidade de água livre, água capilar e adsorvida. O aumento da temperatura faz com que toda a água se perca rapidamente causando danos ao concreto em forma de lasca-mento superficial, geralmente referenciado como “spalling”.

O processo de desidratação do concreto ocorre em três fases principais, com diferentes temperaturas. Após a evaporação da água livre a 100ºC e a quebra das ligações de Van der Walls a 230ºC, inicia-se a eva-poração da água interlamelar do silicato de cálcio hidratado e parte da água combinada desse e dos sulfoalu-minatos ocorrendo a uma temperatura de 300 ºC, a partir da qual o concreto começa a perder sua resistência. A segunda fase começa a cerca de 500º C, na qual ocorre a desidratação da pasta devido a decomposição do hidróxido de cálcio. Já na terceira e última fase ocorre a decomposição completa dos silicatos de cálcio hidra-tado, com temperatura média de 900ºC.

1.4 Efeito da alta temperatura no agregado

O comportamento do concreto em exposição ao fogo também recebe influência da mineralogia e a po-rosidade do agregado. Essas características somadas a taxa de aquecimento, a dimensão, a permeabilidade e umidade definem a forma como o agregado interfere na resistência do concreto quando submetido a elevadas temperaturas. A exemplo disso, dependendo das condições supracitadas, os agregados porosos, podem estar suscetíveis à expansão destrutiva. Por outro lado, os agregados com baixa porosidade não estão tão propensos a problemas relacionados a movimento da umidade interna. Assim, um concreto que utiliza agregados poro-sos, tem maior chance de perda de resistência em relação ao que utiliza agregados com baixa porosidade dian-te do fogo[14]_.

1.5 Esforços solicitantes (flexo-compressão)

Além do comportamento relacionado a composição da matéria constituinte da estrutura, é necessário também considerar todas as solicitações atuantes e o que as mesmas podem causar sobre o elemento estrutural, a fim de que o correto dimensionamento seja feito. Assim, dependendo do tipo de solicitação, a estrutura fica sujeita a forças de tração, compressão ou flexão.

A flexão é caracterizada pela ação de momento fletor sobre a peça. A existência de outros esforços soli-citantes subdivide o estudo da flexão em flexão simples ou composta, as quais são ainda subdivididas em ou-tras classes.

A flexo-compressão é caracterizada pela presença de força normal de compressão na flexão. Para o di-mensionamento do pilar que recebe esse tipo de solicitação é necessário considerar a influência do comporta-mento inelástico do material concreto armado, o tipo de carregacomporta-mento e a esbeltez. A análise dessas estruturas envolve ainda a definição de uma relação entre a curvatura e os esforços, através de diagramas de interação força normal – momento fletor – curvatura. Tais diagramas são essenciais para o cálculo de verificação da es-tabilidade da estrutura[15]_.

A NBR 6118estabeleceosprincípios para o dimensionamento de pilares submetidos a flexo-compressão normal. No caso de estruturas submetidas a situação de incêndio, torna-se necessária uma verificação funda-mentada na NBR 15200 que regulamenta os principais aspectos relacionados a estruturas submetidas a eleva-das temperaturas. Segundo a norma, “os ensaios realizados mostram que em situação de incêndio as peças de concreto rompem usualmente por flexão ou flexo-compressão”, por isso a necessidade de se compreender a atuação desses tipos de esforços no pilar.

Um dos métodos para dimensionamento, segundo a norma, é o método tabular que consiste na verifi-cação das dimensões mínimas apresentadas nas tabelas para o elemento estrutural. Pela análise das tabelas re-ferentes as dimensões mínimas dos pilares, verifica-se dois valores para o dimensionamento destes, sendo um

deles a largura e o outro o cobrimento (distância do concreto à armadura), que variam de acordo com o número de faces expostas e com o tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF).

Além da norma brasileira, outras normas estrangeiras como a americana e a europeia também apre-sentam métodos de dimensionamento peculiares, abrangendo elementos e variáveis diferentes entre si, cuja a comparação desses é o alvo do presente estudo.

2. METODOLOGIA

A metodologia deste trabalho consiste em revisão bibliográfica com análise e comparação de três nor-mas (brasileira, americana e europeia) relacionadas ao dimensionamento de estrutura submetida a elevadas temperaturas, a saber a NBR 15200/2012 – Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio, a ACI 216.1-97 / TMS 0216.1-97 – Método padrão para determinar a resistência do concreto e alvenaria em exposi-ção ao fogo e a EN 1992-1-2 (2004: Eurocode 2 – Projetos de concreto estruturais - Parte 1-2: Regras gerais - Projeto estrutural para incêndio.

Buscou-se estabelecer as principais diferenças de dimensionamento de peças sob flexo-compressão en-tre as normas supracitadas, levando em consideração variáveis como os métodos utilizados para a sua determi-nação, o tempo de exposição ao fogo, a determinação dos tipos de estrutura e a resistência.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Dimensões mínimas e métodos para dimensionamento de pilares submetidos a situação de incêncdio

A partir da análise das normas brasileira, americana e europeia para dimensionamento de estruturas sub-metidas a situação de incêndio verifica-se a existência de algumas semelhanças e diferenças relacionadas aos métodos adotados para os cálculos de dimensionamento válidas de estudo e comparação.

Analisa-se na norma brasileira que a verificação de pilares se baseia na combinação de dois valores: a largura mínima da estrutura (bmin) e o cobrimento que corresponde à distância da armadura a face externa do concreto (c1). Essa combinação é apresentada em tabelas, evidenciando o destaque do método tabular

presen-te na norma e considerado como o principal método de dimensionamento. Para cada valor mínimo de largura há um valor correspondente de cobrimento variando em função do tempo de exposição ao fogo e do coefi-ciente de segurança µfi que representa a relação entre o esforço normal de cálculo na situação de incêndio e o

esforço resistente normal de cálculo do pilar em questão em situação de temperatura normal, como mostram as Tabelas 1 e 2.

Tabela 1. Dimensões mínimas para pilares

TRRF [min]

Combinações de bmin/c1 [mm/mm] Uma face exposta

Mais de uma face exposta

µfi = 0,7 µfi = 0,2 µfi = 0,5 µfi = 0,7 1 2 3 30 190/25 190/25 190/30 140/25 60 190/25 190/35 250/45 140/25 90 190/30 300/45 450/40 155/25 120 250/40 350/45 450/50 175/35

Tabela 2. Dimensões mínimas para pilares-parede

TRRF [min]

Combinações de bmin/c1 [mm/mm]

µfi = 0,35 µfi = 0,7

Uma face exposta Duas faces expostas Uma face exposta Duas faces expostas

1 2 3 4

30 100/10 120/10 120/10 120/10

60 110/10 120/10 130/10 140/10

90 120/20 140/10 140/25 170/25

120 140/25 160/25 160/35 220/35

Fonte: NBR 15200/2014 – Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio.

A ACI 216.1-97, por sua vez, não apresenta combinação entre valores de largura mínima e cobrimento, de modo que a largura mínima da estrutura varia com o tempo de exposição ao fogo e com o tipo de agregado utilizado. Este aspecto não é considerado nas normas brasileira e europeia. Não há, na norma americana, coe-ficiente de segurança equivalente ao µfi da brasileira como mostra as Tabelas 3 e 4.

Na Eurocode verifica-se a existência de dois métodos para a realização do dimensionamento de pilares submetido a temperaturas elevadas definidos como método A e método B. Entre eles o método A se apresenta como um método mais usual, dada a sua semelhança com o método tabular da norma brasileira, destacando--se apenas poucas diferenças.

Tabela 3. Tamanho mínimo dos pilares de concreto

Tipo de agregado Dimensões mínimas para resistência ao fogo [mm]

1 hr 1 ½ hr 2 hr 3 hr 4 hr

Carbonato 200 225 250 275 300

Silicoso 200 225 250 300 350

Semi- leve 200 212,5 225 262,5 300

Fonte: ACI 216.1-97 / TMS 0216.1-97 – Método padrão para determinar a resistência do concreto e alvenaria em exposição ao fogo (traduzido).

Tabela 4. Tamanho mínimo dos pilares com dois lados paralelos expostos ao fogo

Tipo de agregado _{1 hr} Dimensões mínimas para resistência ao fogo [mm]_{1 ½ hr 2 hr 3 hr 4 hr}

Carbonato 200 200 200 200 250

Silicoso 200 200 200 200 250

Semi- leve 200 200 200 200 250

Fonte: ACI 216.1-97 / TMS 0216.1-97 – Método padrão para determinar a resistência do concreto e alvenaria em exposição ao fogo (traduzido).

A verificação apresentada na norma brasileira é estimada para pilares simples e pilares-parede, conside-rando uma ou mais faces expostas e sendo determinado para cada µfi distinto. Na europeia é possível notar que estas especificações não são descritas, de modo que apenas o tipo de seção transversal é estabelecido – retan-gular e circular – sendo utilizados os mesmos valores para dimensionamento de ambas. A norma americana es-tabelece valores para dimensionamento de pilares simples e pilares com dois lados paralelos expostos. É válido destacar que entre as normas brasileira e europeia os valores da combinação entre a largura e o cobrimento são bastante semelhantes, variando em pequena quantidade. Isso pode ser verificado por análise das Tabelas 1 e 5.

Tabela 5. Dimensões mínimas para pilares de seção retangular e circular

Tempo de Resistência

ao fogo

Dimensões mínimas [mm]

Largura do pilar [bmin] / distância concreto - armadura

Mais de um lado exposto Um lado exposto

µfi = 0,2 µfi = 0,5 µfi = 0,7 µfi = 0,7 1 2 3 4 5 R 30 200/25 200/25 200/32_300/27 155/25 R 60 200/25 200/36_300/31 250/46_350/40 155/25 R 90 200/31_300/25 300/45_{400/38 450/40**}350/53 155/25 R 120 250/40_350/35 350/45**_450/40** 350/57**_450/51** 175/35 R 180 350/45** 350/63** 450/70** 230/55 R 240 350/61** 450/75* – 295/70 ** Mínimo de 8 barras.

Fonte: EN 1992-1-2/2004: Eurocode 2 – Projeto estrutural para incêndio (traduzido).

3.2 A influência da composição do agregado para o dimensionamento dos pilares

Os agregados que compõem o concreto influenciam diretamente a perda de resistência e rigidez da es-trutura frente à situação de incêndio. A norma americana apresenta uma variedade maior de tipos de agrega-dos graúagrega-dos do que as normas brasileira e europeia. Enquanto a norma brasileira e a europeia trazem valores de TRRF para concreto de agregados silicosos e calcáreos, ambas semelhantes, a norma americana apresen-ta apresen-também valores de TRRF para agregados carbonatos, semileves (Semi-lightweight) e leves (Lightweight).

Concreto semileve presente pode ser considerado, de acordo com a norma americana, concreto feito com uma combinação de agregados leves (argila expandida, xisto, escória ou ardósia ou cinzas volantes sinte-rizadas) e agregados de peso normal, com um peso unitário seco de 28 dias de 1682 kg/m³ a 1922 kg/m³. Já o concreto leve pode ser considerado feito apenas com agregados leves com um peso unitário seco de 28 dias de 1362 kg/m³ a 1682 kg/m³ (ACI 216.1-97).

Em gráficos presentes nas normas brasileira e europeia percebe-se que o concreto preparado com agre-gado calcário se comporta melhor que o de agreagre-gado silicoso, visto que com o aumento da temperatura o con-creto preparado com material calcário diminui menos a resistência e a rigidez em comparação ao concon-creto preparado com agregado silicoso.

A maior variedade nos tipos de agregado presente na norma americana permite o aprofundamento e o estudo da empregabilidade de materiais não tão comuns, mas que através da análise do comportamento em si-tuações de incêndio podem se mostrar técnica e economicamente viáveis para o dimensionamento das peças estruturais.

3.3 Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) para as normas brasileira e europeia

O Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) é o tempo de resistência ao fogo dos elementos construtivos, considerando ascondições de exposição ao incêndio-padrão e sua determinação leva em conside-ração a severidade ou potencial destrutivo dos incêndios, condicionados por fatores, entre outros, associados a: tipo de ocupação, área, profundidade do subsolo, altura da edificação, facilidade de acesso para combate ao incêndio[17] _{(NBR 14432:2000).}

A norma brasileira, quanto ao TRRF para pilares (com uma face ou mais expostas ao fogo) considera de 30 minutos a 120 minutos para referenciar o dimensionamento da peça estrutural, enquanto a norma europeia traz um intervalo maior de 30 minutos a 240 minutos. Dessa forma, pressupõe-se que as edificações no Brasil

são projetadas para fácil desocupação, com ações de combate ao incêndio efetivas e de rápido atendimento. No entanto, esta não é a realidade, visto que as edificações do Brasil, geralmente, não preveem qualquer projeto contra incêndios e os valores de cobrimento recomendados pela norma brasileira são considerados exagerados pelos engenheiros projetistas de concreto, que acabam por ignorá-la, não verificando a segurança estrutural a incêndio para as edificações[18]_.

CONCLUSÕES

As normas brasileira, americana e europeia apresentam semelhanças quanto ao dimensionamento de su-as estrutursu-as de concreto, entre elsu-as, os pilares. No entanto, há também nelsu-as particularidades que precisam ser analisadas.

Em meticulosa análise comparativa das normas brasileira, americana e europeia, percebe-se que a nor-ma americana apresenta nor-mais tipos de agregados na composição do concreto que as outras nornor-mas e, entende--se, portanto, que os agregados utilizados pelos americanos são de característica mais leve (agregados leves e semi-leves), sendo estes pouco usuais no Brasil e na Europa, no entanto bem frequentes nos EUA.

Quanto aos métodos de dimensionamento, verifica-se que as normas se detêm, em geral, na análise de tabelas. As normas brasileira e europeia, apresentam similaridade quanto as combinações entre a largura míni-ma do pilar e o cobrimento. A normíni-ma americana não relaciona essas duas grandezas, restringindo-se apenas a dimensão dos pilares. A Eurocode, não leva em consideração os tipos de pilares no dimensionamento como a brasileira e americana, determinando apenas o tipo de seção dos mesmos.

O incêndio é uma situação não usual que acomete as edificações, no entanto, os efeitos que aquele pro-voca nas propriedades das estruturas de concreto faz com que seja necessária uma normatização de seguran-ça, tendo em vista a preservação da própria estrutura e principalmente das pessoas que ocupam a edificação. É necessário, portanto, o meio técnico aprimorar sua normatização para seguir padrões eficazes para o dimen-sionamento das estruturas de concreto em situação de incêndio, e desta forma melhorar a qualidade do desem-penho das edificações.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[10] BASTOS, Paulo Sérgio dos Santos. Fundamentos do concreto armado. Bauru: Unesp, 2006. 98 p. [11,13,14] P. K. Metha, P. J. M. Monteiro. Concreto: Microestrutura, Propriedades e Materiais. 3. ed. São Paulo: Ibracon, 2008.

[12] L. D. P. de Souza. Análise do comportamento estrutural de vigas de concreto armado submetidas às altas

temperaturas utilizando a metodologia do planejamento fatorial Leovegildo Douglas Pereira de Souza Orien-tador: Prof. Dr. Givanildo Alves de Azerêdo João Pessoa. 2016. 112 f. Dissertação (Mestrado) – Curso de

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[15] M. A. Scadelai. Dimensionamento de pilares de acordo com a NBR 6118:2003. 2004. 136 f. Dissertação (Mestrado) – Curso de Engenharia Civil, Engenharia de Estruturas, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2004.

[16] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15200:2004 – Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio – Procedimento.

[17] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14432:2000. Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações – Procedimento. Emenda nº 1 de NOV 2001. Rio de Janei-ro: Abnt, 2001.

[18] V. P. Silva, R. H. Fakury. Normas brasileiras de estruturas em situação de incêndio. In: NUTAU: TECNO-LOGIA E DESENVOLVIMENTO, 3., 2000, São Paulo. Anais... São Paulo: USP, 2000.