ANGICOS 2019

PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO MULTIDISCIPLINAR DE ANGICOS CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL

ANA SULAMITA BEZERRA DA SILVA

ANÁLISE DA RESISTÊNCIA RESIDUAL DO CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO COM AUXÍLIO DE UM PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL

ANGICOS

2019

ANÁLISE DA RESISTÊNCIA RESIDUAL DO CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO COM AUXÍLIO DE UM PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL

Trabalho Final de Graduação apresentado a Universidade Federal Rural do Semi-árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. Wendell Rossine Medeiros de Souza

ANGICOS 2019

ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.

O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.

S586a Silva, Ana Sulamita Bezerra da.

Análise da resistência residual do concreto em situação de incêndio com auxílio de um planejamento experimental / Ana Sulamita Bezerra da Silva. - 2019.

84 f. : il.

Orientador: Prof.º Dr. Wendell Rossine Medeiros de Souza.

Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Civil, 2019.

1. Incêndio. 2. Concreto. 3. Resistência. 4.

Planejamento Experimental. I. Souza, Prof.º Dr.

Wendell Rossine Medeiros de , orient. II. Título.

A meus amados pais.

A Deus, por cuidar de mim em todos os momentos, ser o meu amigo de todas as horas, por levantar-me todos os dias e nunca me deixar desistir do que Ele tem reservado para mim. Porque dEle e por Ele, e para Ele, são todas as coisas; glória, pois, a Ele eternamente. Amém.

Aos meus pais, Adolfina Bezerra Neta e José Petronilo da Silva, que acreditaram na minha capacidade de vencer e me incentivaram e apoiaram em cada momento desde que abri os olhos.

Espero que um dia eu possa dar o melhor de mim para vocês, pois é isso que vocês fazem por mim todos os dias. Amo vocês.

Aos meus irmãos, Ana Sâmula e Petronilo Filho, que me apoiaram sempre ajudando da forma que podiam. Nós formamos um ótimo time e já vencemos! Amo vocês.

A minha amada grande família, por todo o incentivo, ajuda e exemplo dado. Os finais de semana de descanso ao lado de vocês aliviavam o meu coração.

A minha amiga e companheira de faculdade, Joyce Gomes. Muito obrigada por toda a ajuda, principalmente naqueles dias estressantes de estudo em que uma incentivou a outra e disse “vai dar certo!” e não é que deu? Conseguimos. Eu sei que Deus tem grandes coisas pra realizar na sua vida menina. Te amo migaa!

A todo o time maravilhoso das Las Cobritas. Ylanne Lopes e Ingrid Moura, obrigada pelas conversas, lamentações e risadas que deixavam o dia mais leve. Lane Valentim, Tyrone Costa, Ingridy Cardoso e Ana Paula, obrigada por todo carinho e apoio mesmo estando longe.

Desejo que cada um cresça na sua profissão!

A Emerson Martins, por todo o auxílio e companheirismo durante este trabalho. Mesmo não sendo sua “praia”, se dispôs desde o início a trabalhar comigo para que tudo desse certo. Muito obrigado, nerd! Eu sei que você será um grande profissional!

A meu orientador Wendell Rossine, pelo direcionamento, disposição e paciência desde a escolha do tema do trabalho até a conclusão deste. Obrigada professor, é satisfatório trabalhar com você.

sugestões dadas para complementação e melhoramento do trabalho.

A Jefferson Romero, por todo o cuidado comigo durante minha estadia em Angicos. Sempre presente e disposto a me ajudar em qualquer hora e momento. Te amo, meu primo irmão!

A todos os meus colegas de curso. A nossa união e colaboração uns com os outros nos trouxeram até aqui. Espero encontrar vocês em muitos momentos de minha vida pessoal e profissional.

Aos técnicos de Laboratório Ádna Melo e Valteson Santos, da UFERSA e IFRN, respectivamente, por toda ajuda durante a execução dos experimentos necessários à esta pesquisa.

Ao corpo docente da UFERSA-Angicos por todo o conhecimento transmitido. Em especial àqueles que se esforçaram para dar o melhor aos discentes, afim de orientá-los no caminho árduo da engenharia.

A todos os anônimos da UFERSA-Angicos, que trabalham fora dos “holofotes”, mas que sem os quais a universidade não cresceria.

O bom desempenho mecânico do concreto frente à ação de cargas estruturais, entre outras vantagens, tornaram-no um material indispensável para a construção civil. No entanto, apesar das boas características térmicas, o concreto sofre alterações macro e microestruturais diante da ação térmica em sinistros de incêndio que acabam por comprometer suas propriedades físico- mecânicas. Nesta pesquisa, desenvolveu-se um planejamento experimental com intuito de estudar a correlação da perda de resistência do concreto com a evolução da temperatura e o tempo de exposição. Para isso, submeteu-se 27 corpos de prova a situação de incêndio. Em grupos de 3, os corpos de prova de 30 Mpa foram ensaiados em um Forno Mufla a 300ºC, 500ºC e 800ºC e tempos de exposição de 30, 60 e 90 minutos e modo de resfriamento brusco, de forma a criar cenários com o tempo constante e a temperatura variável, assim como o oposto. Os dados obtidos no ensaio de resistência à compressão foram tratados através da análise de variância (ANOVA). Observou-se que com o aumento da temperatura e constância do tempo de exposição, a resistência do concreto diminuiu notadamente com porcentagens de redução chegando a 38%, 45% e 95% para os casos de 300ºC, 500ºC e 800ºC no tempo de 90 minutos, respectivamente. Já quando a temperatura era constante, notou-se um aumento tímido nas porcentagens de redução da resistência com o passar do tempo, chegando no máximo a 12%

entre a situação de 300ºC/30min e 300ºC/60min. Corroborando com a ANOVA, conclui-se que a variação na temperatura é significativa para a redução da resistência do concreto, no entanto o tempo não se mostrou significante para as temperatura de 500ºC e 800°C, o que cabe a realização de mais ensaios em faixas de valores diferentes e incremento de variáveis para aprofundar a discussão. Devido à sua excepcionalidade, a questão dos incêndios em edificações são deixadas de lado, ascendendo quando ocorre uma tragédia que incita a comoção nacional.

Apesar de toda a variabilidade de fatores que dificultam um estudo padronizado sobre incêndio que se aproxime da realidade, as pesquisas sobre o comportamento do concreto em altas temperaturas devem ser incentivadas de modo a criar métodos mais eficazes e práticos de dimensionamento e também elementos de proteção passiva que possam ser implantados em edificações existentes.

Palavras-Chave: Incêndio. Concreto. Resistência. Planejamento Experimental.

Figura 1 - Incêndio no Mercado Público de Porto Alegre... 20

Figura 2 - Curva temperatura-tempo de um incêndio real ... 24

Figura 3 - Modelo de Incêndio - Padrão... 21

Figura 4 - Curva de incêndio-padrão conforme ISO 834 (1975) ... 27

Figura 5 - Curva de incêndio-padrão conforme a ASTM E119 (1918) ... 28

Figura 6 - Curva padrão temperatura-tempo (hidrocarbonetos)... 23

Figura 7 - Comparativo entre as curvas de incêndio-padrão ... 29

Figura 8 - Modelo de Incêndio Natural... 25

Figura 9 - Conceito de Tempo Equivalente ... 32

Figura 10 - Processo de dimensionamento de um elemento estrutural em situação de incêndio ... 35

Figura 11 – Representação diagramática da zona de transição e da matriz da pasta de cimento no concreto ... 37

Figura 12 - Calor específico do concreto cp em função da temperatura, considerando três valores para o teor de umidade no concreto ... 39

Figura 13 - Redução da resistência à compressão em função do tipo de agregado adotado ... 44

Figura 14 - Armadura exposta do Storebælt Tunnel (Great Belt Tunnel - Dinamarca) por lascamentos instantâneos por ocasião do incêndio em 1994/ Situação laje do Cinema Cacique em decorrência de incêndio ... 46

Figura 15 - Valores de kcE, θ em função da temperatura para dois tipos de agregados ... 50

Figura 16 – Separação e pesagem dos materiais ... 56

Figura 17 – Betoneira para produção do concreto... 56

Figura 18 – Corpos de prova logo após a moldagem e depois de desmoldados ... 57

Figura 19 - Forno Mufla ... 58

Figura 20 - Programação do forno pra 300ºC/30min...53

Figura 21 – Colocação do corpo de prova no Forno Mufla ... 59

Figura 22 – Retirada do corpo de prova do forno e resfriamento através da imersão em água ... 59

Figura 23 – Prensa Manual Contenco ... 60

Figura 24 – Ensaio de resistência à compressão ... 60

Figura 25 - Perda de resistência em função do aumento da temperatura (tempo 30 minutos)..60

Figura 26 - Perda de resistência em função do aumento da temperatura (tempo 60 minutos)..62

Figura 29 - Interação de fatores (Tempo X Temperatura) na redução da resistência...66

Figura 30 – Aparência dos corpos de prova após ensaio térmico (300ºC, 500ºC e 800ºC) .... 72

Figura 31 - Aparência dos corpos de prova após ensaio térmico (800ºC/ 90 min)...67

Figura 32 - Aparência dos corpos de prova após resfriamento brusco... 73

Figura 33 – Corpos após o ensaio de resistência à compressão (30ºC, 300ºC e 500ºC) ... 74

Figura 34 – Corpos após o ensaio de resistência à compressão (800ºC) ... 75

Tabela 1 - Valores para curva de incêndio-padrão conforme a ASTM E119 (1918) ... 28

Tabela 2 - Tempo Requerido de Resistência ao Fogo – TRRF (NBR 14432/2000) ... 31

Tabela 3 – Fatores de ponderação das medidas de segurança contra incêndio ... 34

Tabela 4 – Valores de γs2 em função do risco de ativação do incêndio (r) ... 34

Tabela 5 - Valores de condutividade térmica para concretos com diferentes tipos de agregado ... 39

Tabela 6 -Coeficiente de dilatação térmica do concreto em altas temperaturas ... 40

Tabela 7 - Transformações sofridas por pastas de cimento durante aquecimento ... 42

Tabela 8 - Reação dos diferentes tipos de agregados à altas temperaturas ... 45

Tabela 9 – Características do concreto superaquecido ... 47

Tabela 10 - Valores da relação kc, θ = fc, θfck para concretos de massa específica normal (2000 kg/m³ a 2800 kg/m³) preparados com agregados predominantemente silicosos ... 49

Tabela 11 – Grupos de corpos de prova ... 55

Tabela 13 – ANOVA dos resultados quando o tempo é constante ... 63

Tabela 14 - ANOVA dos resultados quando a temperatura é constante ... 64

Tabela 15 – Fator de redução de resistência (tempo constante 30 minutos) ... 65

Tabela 16 - Fator de redução de resistência (tempo constante 60 minutos) ... 67

Tabela 17 - Fator de redução de resistência (tempo constante 90 minutos) ... 68

Tabela 18 - Fator de redução de resistência... 70

ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ARI Alta Resistência Inicial

ASTM American Society for Testing and Materials

CAERN Companhia de Águas e Esgoto do Rio Grande do Norte

cm Centímetro

CP Cimento Portland

C-S-H Silicato Hidratado de Cálcio Curva “H” hydrocarbon curve

EN Euronormme (European Standard)

Eq. Equação

gl Grau de Liberdade

GPa Giga Pascal

h Hora

IFRN Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte ISO International Organization for Standardization

K Kelvin

kg Kilograma

LTDA Limitada

m Metro

m² Metro quadrado

m³ Metro cúbico

min Minuto

mm Milímetros

Mpa Mega Pascal

MQ Média dos Quadrados

NB Norma Brasileira

NBR Norma Brasileira Regulamentada

ºC Grau Celsius

RN Rio Grande do Norte RS Resistência a Sulfatos

SQ Soma dos Quadrados

TRF Tempo de Resistência ao Fogo

TRRF Tempo Requerido de Resistência ao Fogo UFERSA Universidade Federal Rural do Semi-árido

W Watts

𝐴_𝑓 área do piso do compartimento

𝐴_𝑣 representa a área de ventilação para o ambiente externo 𝐸_{𝑐,20 ֯𝐶} módulo de elasticidade do concreto em temperatura ambiente 𝐸_𝑐,𝜃 é módulo de elasticidade do concreto em temperatura elevada 𝑓_𝑐,𝜃 resistência a compressão do concreto a diferentes temperaturas;

𝑓_𝑐𝑘 resistência característica à compressão do concreto à temperatura ambiente 𝑘_𝑐,𝜃 é o fator de redução da resistência do concreto

𝑘_{𝑐𝐸,𝜃} fator de redução do módulo de elasticidade em função da temperatura 𝑞_{𝑓𝑖,𝑘} valor característico da carga de incêndio específica

𝑡_𝑒 tempo equivalente

𝛾_𝑛 fator de ponderação das medidas de segurança contra incêndio 𝛾_𝑠 fator de ponderação conforme risco de incêndio

𝜃_𝑔,0 temperatura dos gases no ambiente no instante t = 0 𝜃_𝑔 temperatura dos gases no ambiente em chamas

C carbono

Ca cálcio

cp calor específico

H altura do compartimento

ℎ altura do piso habitável mais elevado da edificação

H hidrogênio

k número de variáveis que serão modificadas durante o trabalho

O oxigênio

r risco de ativação de incêndio

Si silício

t tempo

W fator que considera a influência da ventilação e da altura do compartimento

α alfa

β beta

𝑘 condutividade térmica do material;

1. INTRODUÇÃO ... 16

2. OBJETIVOS ... 18

2.1 OBJETIVO GERAL ... 18

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 18

3. REFERENCIAL TEÓRICO ... 19

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE A IMPORTÂNCIA DA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO ... 19

3.2 O INCÊNDIO ... 21

3.2.1 Mecanismos de Transferência de Calor ... 22

3.2.1.1 Condução ... 22

3.2.1.2 Convecção ... 22

3.2.1.3 Radiação ... 23

3.2.2 Modelos de Incêndio ... 23

3.2.2.1 Incêndio Real ... 24

3.2.2.2 Incêndio Padrão ... 25

3.2.2.3 Incêndio Natural ... 29

3.3 TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO – TRRF ... 30

3.4 TEMPO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRF) ... 34

3.5 COMPORTAMENTO DO CONCRETO QUANDO SUBMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS ... 35

3.5.1 Efeito da alta temperatura nas propriedades térmicas do concreto ... 38

3.5.2 Efeito da alta temperatura na pasta de cimento hidratada ... 40

3.5.3 Efeito da alta temperatura nos agregados ... 43

3.5.4 Efeito da alta temperatura nas propriedades físicas do concreto ... 45

3.5.5 Efeito da alta temperatura nas propriedades mecânicas do concreto ... 48

3.6 INFLUÊNCIA DO MODO DE RESFRIAMENTO ... 50

4.2 MATERIAIS UTILIZADOS ... 53

4.2.1 Cimento Portland ... 53

4.2.2 Agregados ... 54

4.2.3 Água...54

4.3 AMOSTRAS, CORPOS DE PROVAS ... 54

4.4 DOSAGEM, MOLDAGEM E CURA DOS CORPOS DE PROVA ... 55

4.5 ENSAIO TÉRMICO - SIMULAÇÃO DE INCÊNDIO NOS CORPOS DE PROVA .... 57

4.6 ENSAIO MECÂNICO – RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ... 60

4.6 ANÁLISE VISUAL E ESTATÍSTICA ... 61

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 62

5.1 ANÁLISE DE VARIÂNCIA DOS RESULTADOS ... 62

5.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS QUANTO A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO.64 5.2.1 Redução da resistência à compressão conforme o aumento da temperatura ... 65

5.2.2Redução da resistência à compressão conforme o aumento do tempo ... 69

5.2.3Análise Macroestrutural dos corpos de prova ... 71

5.2.3.1 Aspectos dos corpos de prova após ensaio térmico ... 71

5.2.3.2 Aspectos dos corpos de prova após o resfriamento brusco ... 73

5.2.3.3Aspectos dos corpos de prova após o ensaio de rompimento ... 74

6. CONCLUSÃO ... 76

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 78

1. INTRODUÇÃO

O desempenho estrutural das edificações é um fator primordial para garantir a segurança de seus usuários e seu sucesso está ligado diretamente com adequados projetos arquitetônicos, estruturais e complementares. Diante disso, ao longo dos anos são realizados estudos acerca da concepção adequada das edificações, seu desempenho e segurança.

Esses vários estudos desencadearam o desenvolvimento de dezenas de normas, entre elas, as nacionais (Normas Brasileiras Regulamentadoras – NBR) e as internacionais que objetivam garantir que as edificações alcancem o mínimo de segurança, estabilidade e desempenho recomendado. Dentre as normas nacionais pode-se citar: NBR 6118 (ABNT, 2014) “ Projeto de Estruturas de Concreto”, NBR 8681 (ABNT, 2003) “Ações e segurança nas estruturas – Procedimento”, NBR 15200 (ABNT, 2012) “Projeto de Estruturas de concreto em situação de incêndio”, NBR 6120 (ABNT, 1980) “Cargas para o cálculo de estruturas de edificações”, 15575 (ABNT, 2013) “Desempenho de Edificações Habitacionais” etc.

Geralmente as normas de projeto e execução de estruturas destacam a estabilidade e segurança da construção frente a cargas gravitacionais, à ação do vento e a outras. Dentre estas outras encontra-se a segurança contra incêndio que visa em primeiro lugar garantir a integridade física das pessoas em um sinistro de incêndio. Neste caso a proteção ao patrimônio e ao meio- ambiente são, a priori, objetivos secundários da segurança estrutural (COSTA, 2008;

MARTINS, 2013).

Conforme Costa e Silva (2002) em estruturas de concreto há uma baixa probabilidade de ocorrência de incêndio, visto que o concreto possui características térmicas como incombustibilidade, baixa condutividade térmica e a não exalação de gases tóxicos ao ser aquecido, além de apresentar maior massa e volume se comparados aos elementos metálicos , no entanto, como destaca Klein Júnior (2011), apesar da baixa probabilidade de ocorrência, os incêndios são sinistros que podem acontecer em qualquer período de vida da edificação, desde a fase de construção até o fim de sua vida útil, sendo este originado de causas variadas como curtos-circuitos, negligência dos usuários, atos criminosos etc.

É importante lembrar que dada a ocorrência de um incêndio, os danos podem variar desde inofensivas manchas de fumaça até o colapso total da edificação, ou comumente a perda de resistência dos elementos estruturais (LORENZON, 2014). Isto porque, apesar do bom desempenho do concreto frente a ação do fogo, por ser um material composto por diferentes fases, o concreto sofre alterações físicas, químicas e mecânicas quando exposto a altas

temperaturas (relatado nas diversas bibliografias consultas como por exemplo em COSTA (2008), LIMA (2005), SIVA (1997), SILVA (2013) etc.), podendo ter sua resistência diminuída dependendo do cenário do incêndio, logo, os incêndios devem ser extremamente evitados e combatidos.

Diante do exposto, torna-se importante buscar soluções para diminuir a perda de resistência do concreto quando exposto a altas temperaturas. Muitas pesquisas acadêmicas já estudaram e apresentaram alguns artifícios capazes de assegurar a diminuição da perda de resistência do concreto exposto à altas temperaturas, tais como métodos de dimensionamento específicos e adições no traço.

O comportamento do concreto em alta temperatura, verificado por meio de ensaios laboratoriais ou naturalmente, dependerá tanto de sua composição (tipo de cimento, tipo de agregado, tipo de cura etc.) quanto em quais condições os ensaios foram realizados, isto inclui, entre outras coisas, a confiabilidade dos equipamentos utilizados, a homogeneidade das amostras, o controle e o planejamento dos ensaios. Portanto, é possível observar que a maioria dos trabalhos relacionados com a temática apresentam variabilidade nos resultados, isto deve ocorrer, principalmente, devido à falta de padronização dos ensaios. Além disso, poucos estudos indicam as principais variáveis que influenciam no comportamento mecânico de concretos submetidos a altas temperaturas.

Claramente é mais confiável o estudo do concreto em altas temperaturas por meio das técnicas de experimentação, visto que esta é recomendada quando se pretende analisar variáveis de maior influência em determinado processo. Porém, para que se garanta a validade experimental é necessário atentar para a monitoração e controle dos experimentos.

O planejamento experimental, através de critérios científicos e estatísticos, elenca etapas a serem seguidas que possibilitam o aprimoramento de processos, a redução da variabilidade de resultados, a redução de tempos de análise e dos custos envolvidos (BUTTON, 2005).

Quando bem desenvolvido, fundamentado em conhecimentos científicos e estatísticos, determina, entre outras coisas, o número ideal de experimentos, as variáveis mais importantes e quais faixas de valores trabalhar, para que seja possível verificar, com um certo grau de confiabilidade, a influência de diversas variáveis nos resultados de um dado sistema ou processo.

Diante disto, esta pesquisa tem o objetivo de estudar o comportamento mecânico do concreto em situação de incêndio, com o auxílio de um planejamento experimental, determinando qual a influência na variação do tempo e da temperatura na perda de resistência do concreto.

2. OBJETIVOS

Neste capítulo são apresentados os objetivos desta pesquisa. Inicialmente traz-se o objetivo geral que representa um escopo mais amplo do que se pretende realizar neste trabalho, logo após apresenta-se os objetivos específicos que é um detalhamento que permite entender melhor o que está contido no objetivo geral.

2.1 OBJETIVO GERAL

Analisar a resistência residual de concretos sob situação de incêndio, sujeitos à diferentes temperaturas e tempos de exposição.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Desenvolver e executar um planejamento experimental para análise da resistência de concretos sob situação de incêndio.

 Correlacionar a perda de resistência do concreto com a evolução da temperatura (300ºC, 500ºC e 800ºC) e a variação do tempo de exposição (30, 60 e 90 minutos).

 Realizar um tratamento estatístico dos dados, por meio da análise variância, através de softwares para melhor análise dos resultados.

3. REFERENCIAL TEÓRICO

Este capítulo abordará conceitos e considerações gerais sobre os sinistros de incêndio, tais como: os mecanismos de transferência de calor, os modelos de incêndio desenvolvidos com intuito de simplificar os estudos, além da apresentação de normas que visam implantar a segurança contra incêndio nos projetos de edificações. O presente capítulo também traz alguns resultados de estudos anteriores acerca dos efeitos das altas temperaturas nas fases do concreto e neste elemento como um todo.

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE A IMPORTÂNCIA DA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO

Desde o século XIX, os estudos sobre os efeitos do fogo em estruturas de concreto vêm sendo realizados, em um primeiro momento com concretos de resistência normal sob altas temperaturas, mas, ultimamente, com o advento de inovações, como o uso de concretos de alta resistência e adoção de normas técnicas baseadas em desempenho para projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio, viu-se a necessidade da realização de novas pesquisas, ensaios e investigações cada vez mais complexos (KLEIN JÚNIOR, 2011). No que diz respeito ao Brasil, o cenário de consideração do desempenho de estrutural no que concerne à segurança contra incêndios das edificações é recente.

Segundo Bacarji (1993) apud Oliveira (2013, p. 9) “o tema começou a se desenvolver na Engenharia Estrutural brasileira há cerca de 30 anos, com a publicação da norma NB 503 (ABNT, 1977) – Exigências particulares das obras de concreto armado e protendido em relação à resistência ao fogo”, para complementação de projetos em estruturas de concreto.

Logo, como destaca Costa (2008), as pesquisas e normas técnicas relacionadas ao projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio ainda são principiantes quando comparadas àquelas em andamento em outros países como o Japão, Reino Unido, Suécia e os Estados Unidos.

No Brasil as indagações sobre o quão importante é a segurança das estruturas contra incêndio ganharam espaço na mídia recentemente com a ocorrência do incêndio (causado por imprudência e más condições de segurança) na Boate Kiss (Santa Maria /RS), que apesar de não ter causados danos estruturais consideráveis, provocou a morte de 242 pessoas, o que inevitavelmente serviu para incentivar a população a ter um novo olhar sobre o rigor a ser seguido nos projetos de segurança contra incêndio nas edificações em todo o país (Costa et al., 2016).

Porém, o incêndio da Boate Kiss não foi o único ocorrido em edificações brasileiras que causou algum dano considerável (seja ele humano ou material). Em setembro de 2011, na cidade de Natal/RN, um incêndio destruiu um apartamento no 11º andar do Condomínio Residencial Alto do Tirol na cidade de Natal/RN. Imediatamente após o início do sinistro o edifício foi evacuado e o sistema contra incêndio do prédio começou a funcionar, mas os bombeiros relataram que a reserva hídrica do prédio era insuficiente e indicaram que o sistema apresentou problemas (TRIBUNA DO NORTE, 2011). Entretanto, o laudo técnico não apurou irregularidades no projeto de combate a incêndio, mas recomendou atualizações. O laudo atestou que somente o teto do apartamento atingido necessitaria ser recuperado, uma vez que a estabilidade estrutural da edificação não foi prejudicada (CONISA, 2011).

Isto posto, deve-se atentar para o fato de que apesar do objetivo principal da segurança contra incêndio nas edificações é proteger a vida humana, a proteção ao patrimônio tem sido cada vez mais solicitada, devido principalmente aos elevados custo de recuperação, além de ter danos indiretos com a paralisação das atividades, como é o exemplo de edifícios comerciais e industriais, igual, ou por que não dizer de maior prestígio estão os interesses pela conservação dos patrimônios históricos, enraizados nas diversas construções centenárias do nosso país.

O prédio histórico do Mercado Público de Porto Alegre, por exemplo, construído em 1869, que abriga bares, restaurantes e bancas comerciais, foi afetado em 2013 por um incêndio que destruiu parte da edificação (aproximadamente 30%). Segundo o corpo de bombeiros a existência de materiais inflamáveis nas lojas facilitou a propagação das chamas. Outro fator agravante nesse evento foi a inexistência de um sistema interno de proteção contra incêndio, o que fez com que a contenção das chamas fosse dificultada (ILHA; AZEVEDO, 2013). A Figura 1 mostra o momento do ápice do incêndio e como ficou parte da edificação após o fim do sinistro.

Figura 1 - Incêndio no Mercado Público de Porto Alegre

Fonte: Ilha e Azevedo (2013).

Portanto, vários são os eventos que evidenciam a importância da segurança contra incêndio. A segurança contra incêndio baseia-se em vários recursos desenvolvidos para dificultar os princípios de incêndio e sua propagação (projetos de combate a incêndio, rotas de fuga, acesso de bombeiros etc.), no entanto para que estes recursos atuem de forma esperada, deve-se levar em consideração conjuntamente as características dos materiais empregados na construção, especialmente aqueles empregados no projeto estrutural.

Logo, a segurança contra incêndio é tão importante e deve ser prevista tanto para os projetos arquitetônicos e complementares quanto para o projeto estrutural, tendo em vista que os materiais estruturais perdem considerável resistência e módulo de elasticidade quando submetidos a situações de incêndio, sujeitando a edificação ao risco de colapso parcial ou total (COSTA; STUCCHI; SILVA, 2005).

3.2 O INCÊNDIO

Resumidamente, pode-se dizer que o incêndio é a ocorrência de fogo em proporções consideráveis que podem causar prejuízos materiais e/ou humanos. Mas o que é o fogo? Quais fatores são necessários para a ocorrência deste?

Como relata Britez e Costa (2011) o fogo pode ser denominado um processo químico de oxidação e pode ser explicado através do tetraedro do fogo, o qual, segundo a teoria, é formado por 4 componentes: o calor, o comburente, o combustível e a reação em cadeia. Coelho (2010) acrescente que a fonte de calor é a energia de ativação que provoca alteração no nível térmico do combustível. Enquanto o oxigênio é o comburente, o combustível é todo material passível de queimar, como madeira, papel, gasolina, plástico, mobiliário, elementos estruturais combustíveis etc. Finalmente, a reação em cadeia é o que torna o processo de combustão autossustentável.

Quando o fogo foge do controle humano, tem-se uma situação caracterizada como incêndio. Mas, antes de entender de forma clara as etapas e as consequências de um incêndio para os elementos estruturais, é fundamental entender como o calor gerado pelo aquecimento é transferido aos diversos materiais, isto é, como ocorre os processos de transferência de calor.

A transferência de calor pode ser entendida como sendo a energia térmica em trânsito em consequência de uma diferença de temperatura no meio, ou seja, é a transferência de energia de uma região para outra devido uma variação de temperatura entre elas.

.

3.2.1 Mecanismos de Transferência de Calor

Sempre que existir uma diferença de temperatura entre um sistema e outro haverá um processo transferência de calor, exemplo disto é a transferência de calor da atmosfera quente para os elementos que compõem uma edificação. Este processo é governado pelos mecanismos de transferências de calor: condução, convecção e radiação. A ação combinada destes três mecanismos está presente em qualquer incêndio, independente do seu cenário (COSTA, 2008).

3.2.1.1 Condução

A condução é um processo de transferência de calor por difusão, no qual a energia térmica é transferida de uma região de um meio (geralmente sólido) com uma temperatura mais alta para outra região deste meio com uma temperatura mais baixa através de uma troca de energia intermolecular (KREITH; MANGLIK; BOHN, 2012). A condução também ocorre entre meios diferentes desde que estes estejam em contato direto.

Assim, a energia térmica do corpo de temperatura mais alta agita as moléculas do corpo de temperatura mais baixa, possibilitando que a energia cinética das moléculas do corpo mais

“frio” se eleve e, desta forma, aumentando sua energia interna (BARROSA, 2004).

A condutividade térmica (𝑘) é uma propriedade material que indica a quantidade de calor que fluirá por unidade de tempo através de uma unidade de área quando o gradiente de temperatura for unitário, portanto, considerando as unidades do SI, tem-se que a condutividade térmica é expressa em unidades de watts por metro por kelvin (W/m K) (KREITH; FRANK, 2003).

3.2.1.2 Convecção

O segundo mecanismo de transferência de calor conhecido é a convecção, este modo concilia o processo de transferência de energia por condução com o movimento de moléculas, isto é, de massa, e ocorre por meio da movimentação do fluido com uma temperatura não- uniforme.

Como explicam Kreith e Bohn (2003), o modo condutivo está ligado a transferência de calor atribuída ao movimento molecular, e sobreposto ao modo condutivo está a transferência de energia térmica devido ao movimento macroscópico de parcelas do fluido, parcelas estas que constituem um grande número de moléculas e que se movem em razão de uma força externa. Os autores acrescentam que “essa força pode ser provocada por um gradiente de

densidade, como na convecção natural, ou por uma diferença de pressão gerada por uma bomba ou ventoinha, ou possivelmente uma combinação dos dois” (KREITH; BOHN, 2003, p.14).

Numa situação de incêndio os fluidos são caracterizados pelos gases aquecidos presentes nos compartimentos. No interior destes, as massas de gases quentes, menos densos, tendem a ascender, enquanto que as massas de gases frios, mais densos, tendem a descer, devido à diferença de densidade e à ação da gravidade (COSTA, 2008).

3.2.1.3 Radiação

O processo de radiação ocorre quando o calor é transmitido de um corpo sob alta temperatura para um sob temperatura mais baixa, estando esses corpos separados no espaço, mesmo que exista vácuo entre eles, e esta transferência de calor se dar por meio da propagação de ondas eletromagnéticas e a este se dar o nome de calor radiante (COSTA, 2008; BARROSA, 2004). Conforme Barrosa (2004) todos os corpos que possuem temperatura absoluta diferente de zero emitem calor radiante, no entanto, a quantidade de calor emitida pode variar dependendo da composição do material e outros fatores.

Segundo Costa (2008) a radiação incidente sobre uma superfície não é completamente absorvida, isto porque parte dela é refletida em consequência das características do material e da superfície do elemento que está sendo aquecido. Em uma situação de incêndio, a radiação é emitida pela difusão das chamas, sendo estas consideradas o irradiador perfeito nesta situação.

3.2.2 Modelos de Incêndio

Sabendo como se processa os principais mecanismos de transferência de calor, é importante enfatizar que a ação térmica nos elementos estruturais, em uma situação de incêndio, é designada por meio dos fluxos de calor por radiação e convecção (SILVA, 1997). Estes, como já comentado anteriormente, são provocados pela diferença de temperatura entre os gases quentes do compartimento em chamas e os elementos estruturais.

Diante disso, Costa e Silva (2003) ressaltam a importância de se considerar a ação térmica quando se desenvolve projetos de estrutura, uma vez que a mesma provoca a elevação da temperatura dos elementos estruturais, e por consequência pode causar esforços adicionais.

A evolução da temperatura ao longo do tempo, no desenvolvimento de um incêndio, varia significativamente conforme for o cenário deste, e esta influencia diretamente no comportamento dos materiais componentes da estrutura durante o sinistro, assim sendo, modelos matemáticos de incêndio que descrevem a variação da temperatura dos

compartimentos em função do tempo foram formulados com o objetivo de simplificar a determinação da ação térmica nas estruturas (KLEIN JUNIOR, 2011; COSTA; SILVA, 2003).

É importante ressaltar que o cenário do incêndio pode variar de acordo com alguns fatores: carga de incêndio (material combustível existente no compartimento), geometria do compartimento (forma, tamanho, limitações, pisos etc.), ventilação (existência de aberturas – janelas e portas), propriedades térmicas dos materiais constituintes dos elementos de compartimentação (tipo, densidade, comportamento da combustão – resposta térmica etc.) (COSTA, 2008).

No que concerne a análise estrutural, a curva que relaciona o tempo com a temperatura dos gases é muito utilizada para caracterizar um incêndio, visto que através desta curva pode- se determinar a máxima temperatura a ser atingida pelos elementos estruturais bem como sua capacidade resistente (KLEIN JUNIOR, 2011; GUIMARAES, 2007).

3.2.2.1 Incêndio Real

No caso do incêndio real a variação da temperatura dos gases em função do tempo pode ser representada por uma curva temperatura-tempo (Figura 2) que possui três estágios delimitados por dois pontos, sendo estes o “flashover” e a temperatura máxima (COSTA;

SILVA, 2003). Esta curva também pode ser dividida em dois ramos, o ascendente que caracteriza a elevação da temperatura e o descendente que caracteriza o estágio do resfriamento (COSTA, 2008).

Figura 2 - Curva temperatura-tempo de um incêndio real

Fonte: Silva (2001).

A fase da ignição, também conhecida como “pré-flashover”, marca o início da inflamação, onde a temperatura aumenta gradualmente. A fase de ignição não oferece risco a segurança estrutural, no entanto, a vida humana é prejudicada devido a geração de gases tóxicos

pela combustão de materiais. Logo, os meios de proteção ativa (chuveiros automáticos, iluminação de emergência, hidrantes etc.) são indispensáveis, uma vez que permitem a detecção do incêndio, intervenções primárias de combate ao sinistro e a saída segura dos usuários do edifício (SOUSA; SILVA, 2015). A fase de ignição termina no instante conhecido como

“flashover”.

Quando o fogo não é extinto na fase de ignição, inicia-se a fase de aquecimento (iniciada no instante de inflamação generalizada - flashover), na qual toda a carga combustível do compartimento entra em ignição, e ocorre uma rápida elevação de temperatura até que atinja a temperatura máxima do incêndio (GUIMARES, 2007; KLEIN JUNIOR, 2011).

É na fase de aquecimento que o calor transmitido aos elementos estruturais pode reduzir suas resistências, por isso, é de extrema importância a existência dos meios de proteção ativa.

Ono (2004) apud Costa (2008) dá alguns exemplos de meios de proteção ativa contra incêndio:

alarmes manuais (botoeiras) e automáticos de incêndio (detectores de fumaça, por exemplo), extintores, hidrantes, chuveiros automáticos (sprinklers) etc.

Após o flashover, os meios de proteção passiva, que não precisam ser acionados, possibilitam ações de resgate, evacuação, facilidade de acesso ao local do sinistro, combate ao incêndio, entre outros, além reduzir a perda de resistência dos elementos estruturais, evitando o colapso da estrutura (COSTA, 2008; SOUSA; SILVA, 2015). Ono (2004) apud Costa (2008) dá alguns exemplos de meios de proteção passiva: a acessibilidade ao lote (afastamentos) e ao edifício (janela e outras aberturas), as rotas de fuga (corredores, passagens e escadas), o adequado dimensionamento dos elementos estruturais para a situação de incêndio, a compartimentação, a definição de materiais de acabamento e revestimento adequados.

O ramo descendente da curva representa a fase de resfriamento do incêndio real. Após o consumo (queima) do combustível presente no compartimento, procede-se a uma redução gradativa da temperatura dos gases no ambiente (COSTA; SILVA, 2003).

Pode-se mais uma vez perceber o quão é indispensável os meios de proteção de combate ao incêndio em edifícios e demais construções que abriguem usuários ou patrimônio, valendo ressaltar que as implantações dos meios de proteção passiva são tão importantes quanto os meios de proteção ativa.

3.2.2.2 Incêndio Padrão

O incêndio real pode variar de um ambiente para outro, assim as curvas que representam a temperatura dos gases em função do tempo de um incêndio real não são fáceis de determinar,

visto que o cenário do incêndio pode mudar de acordo com diversos parâmetros: carga de incêndio, condições de ventilação, materiais de vedação etc., vistos anteriormente.

Isto posto, convencionou-se padronizar o incêndio através de curvas nominais¹ (padronizadas) que auxiliam a análise experimental de estruturas, materiais de revestimento contra o fogo, portas corta-fogo, etc. (KLEIN JUNIOR, 2011). Logo, no modelo de incêndio- padrão prevê-se que a temperatura dos gases do ambiente em chamas obedeça às curvas padronizadas para ensaio. Desta forma, as curvas de incêndio-padrão podem ser adotadas como curvas temperatura-tempo dos gases, dada a ausência de estudos mais realísticos (SILVA, 1997).

As curvas de incêndio-padrão não dependem das características do ambiente ou da carga do incêndio, além disso, essa família de curvas possui apenas um ramo ascendente (mostrando a elevação da temperatura), admitindo, dessa forma que a temperatura dos gases é sempre crescente ao longo do tempo (SOUSA; SILVA, 2015).

Conforme Silva (2004), todo o resultado obtido através da curva-padrão deve ser analisado com cuidado, visto que esta não considera que as características do cenário do incêndio podem mudar de um compartimento para o outro. Assim, a curva padrão (Figura 3) não representa fielmente uma situação real de incêndio, uma vez que o tenta representar de uma maneira mais aproximada e simplificada (VELARDE, 2008).

Figura 3 – Modelo de Incêndio-Padrão

Fonte: Adaptado de Silva (1997).

As curvas-padrão mais citadas nas bibliografias são a ISO 834 (1975), ASTM E 119 (1918) e a hydrocarbon curve (Eurocode 1 - EN 1991-1-2:2002). Conforme Klein Junior

1 “Curvas nominais são termos genéricos usados para qualificar incêndios padronizados, representados por uma equação simples ou tabelas, de aplicação direta e generalizada a qualquer compartimento, independente do cenário de incêndio” (COSTA, 2008, p.76).

(2011), a curva-padrão mais amplamente utilizada, através de normas e ensaios, é a ISO 834 (1975), esta representa um incêndio típico em edifícios, considerando que estes tenham compartimentos com carga de incêndio constituída exclusivamente de materiais celulósicos como madeira, papel, tecidos, etc.

Sendo um tipo de curva-padrão, a ISO 834 (Figura 4) considera a elevação da temperatura do incêndio logarítmica em função do tempo e não apresenta um ramo descendente (que representaria a fase de resfriamento do incêndio) (COSTA; SILVA, 2003).

Figura 4 - Curva de incêndio-padrão conforme ISO 834 (1975)

Fonte: ISO (1990).

É válido salientar que as normas brasileiras NBR 5628 (ABNT, 2001) e NBR 14432 (ABNT, 2001) recomendam o uso da ISO 834 (1975) para determinar a resistência ao fogo de elementos construtivos, portanto, indicam a Equação 1, fornecida pela ISO 834, para estimar a temperatura em função do tempo para incêndio de materiais celulósicos (SOUSA; SILVA, 2015).

𝜃_𝑔= 345 log₁₀(8𝑡 + 1) + 𝜃_𝑔,0 (Eq. 1) Onde:

𝜃_𝑔= temperatura dos gases no ambiente em chamas [°C];

𝜃_𝑔,0 = temperatura dos gases no ambiente no instante t = 0, geralmente admitida 20°C;

t = tempo [min];

A ASTM E119 (1918), também para materiais celulósicos, “Standard test methods for fire tests of building construction and materials” desenvolvida pela “American Specification of Testing and Materials” é utilizada como curva-padrão oficial (Figura 5) para ensaios nos países da América do Norte e segue a relação de pontos da Tabela 1 (COSTA, 2008; VELARDE, 2008).

Fonte: Velarde (2008).

Fonte: Velarde (2008).

No caso de cargas de incêndio compostas de materiais a base de hidrocarbonetos, isto é, com origem de derivados do petróleo, as normas recomendam da curva “H” (hydrocarbon curve) (Figura 6), desenvolvida pelo Eurocode 1 (EN 1991-1-2:2002) (SOUSA; SILVA, 2015).

A Figura 7 representa a comparação das três curvas padronizadas apresentadas no presente item.

Figura 6 - Curva padrão temperatura-tempo (hidrocarbonetos)

Fonte: Klein Júnior (2011).

Figura 5 - Curva de incêndio-padrão conforme a ASTM E119 (1918)

Tabela 1 - Valores para curva de incêndio-padrão conforme a

ASTM E119 (1918)

Figura 7 - Comparativo entre as curvas de incêndio-padrão

Fonte: Velarde (2008).

Como dito anteriormente, as curvas padrões tentam representar de forma simplificada a relação temperatura-tempo em um incêndio e devido a alguns fatores é preciso ter seus resultados analisados com calma. Corroborando com isso, Moreno Junior e Molina (2012) relatam que é preciso realizar uma discussão mais profunda acerca da curva-padrão para efeito de futuras revisões da NBR 5628 (ABNT, 2001).

Os autores questionam, por exemplo, a inexistência do ramo descendente na curva- padrão, ou seja, a fase de resfriamento - presente em todo incêndio real, visto que “é nessa fase que alguns materiais estruturais podem recuperar parte de sua resistência mecânica e rigidez, perdidas durante a fase anterior, e mais crítica do incêndio real” o que contribuiria para o adiamento da eventual ruína de elementos da estrutura (MORENO JUNIOR; MOLINA, 2012, p.3).

3.2.2.3 Incêndio Natural

Segundo Costa (2008), o modelo de incêndio natural, ou curvas naturais, são termos utilizados para definir as curvas de incêndio que mais se aproximam da realidade no caso de incêndios em edifícios.

Este modelo de incêndio também e chamado de compartimentado, uma vez que é utilizado para determinar a temperatura de gases em um ambiente compartimentado, isto é feito através de ensaios realizados em ambientes nos quais o incêndio ocorre sem a possibilidade de se propagar para fora destes, devido às características de isolamento térmico, estanqueidade e estabilidade dos elementos de vedação (SILVA, 1997).

As curvas paramétricas² de incêndio natural são obtidas através de ensaios e modelos matemáticos realísticos de incêndio, e ao contrário das demais curvas apresentadas, levam em consideração os fatores que caracterizam o cenário de incêndio: carga de incêndio, grau de ventilação, geometria e características térmicas dos materiais (KLEIN JUNIOR, 2011).

As curvas de incêndio natural (Figura 8) possuem um ramo ascendente e um descendente, isto é, consideram a fase de resfriamento, o que apesar de ser difícil simular experimentalmente, torna-se adequado para cálculos analíticos. Isto posto, embora as curvas naturais possam ser usadas em modelos simplificados, estas são recomendadas para estudos mais avançados de projeto, guiados por uma análise estrutural refinada, analisando o desempenho da estrutura em situações especiais (SILVA, 2004).

Figura 8 - Modelo de Incêndio Natural

Fonte: Adaptado de Silva (1997).

É inviável desenvolver um modelo incêndio natural para cada projeto (o que geraria uma infinidade de curvas diferentes), uma vez que depende de vários fatores que influenciam no cenário de incêndio, e, atrelado a isso, está o alto custo ligado aos experimentos laboratoriais.

Assim, as normas concordam com o uso dos modelos simplificados padronizados já apresentados.

3.3 TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO – TRRF

O colapso de um elemento estrutural em situação de incêndio ocorre quando este atinge a temperatura crítica, também conhecida como temperatura máxima, a partir da qual sua ruína

2 “O Eurocode 1 (EN 1991-1-2:2004) apresenta no Anexo A curvas paramétricas de incêndio, para simular o incêndio natural em área compartimentada. As curvas sugeridas são válidas para compartimentos com área do piso de até 500 m², sem aberturas no teto e com altura máxima do compartimento igual a 4 m” (KLEIN JUNIOR, 2011, p. 33).

é iminente. Isto posto, é preciso evitar que o elemento atinja a referida temperatura, de modo que seja garantida a segurança estrutural em situação de incêndio.

Para isso, convencionou-se utilizar a curva-padrão para facilitar os cálculos, embora esta curva não apresente o ponto máximo de temperatura. Essa dificuldade operacional é solucionada de forma fictícia, ao arbitra-se “um tempo” em que ocorre a temperatura crítica, sendo este conhecido como Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) dos elementos, podendo ser encontrado em normas ou códigos (COSTA, 2008).

Conforme Seito et al. (2008), o TRRF pode ser entendido, de forma simplificada, como sendo o tempo mínimo (em minutos) que os elementos estruturais precisam resistir (considerando a integridade, estanqueidade e isolamento, quando aplicável) a uma ação térmica padronizada, em um experimento de laboratório. Como adverte Costa e Silva (2003), o TRRF, na prática, é avaliado de forma subjetiva e definido pelo consenso da sociedade, portanto, o TRRF não deve ser confundido com o tempo de desocupação, tempo de duração do incêndio ou mesmo com o tempo-resposta do Corpo de Bombeiros.

A NBR 14432 (ABNT, 2001) “Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos das edificações” apresenta os tempos (Tabela 2) requeridos de resistência ao fogo (TRRF), estabelecidos de acordo como o tipo de ocupação, carga de incêndio e altura da edificação, que devem ser respeitados pelas edificações brasileiras, independente do material estrutural utilizado. O TRRF é padronizado em função do risco de incêndio e de suas consequências, em 30, 60, 90 e 120 minutos (COSTA, 2008).

Tabela 2 - Tempo Requerido de Resistência ao Fogo – TRRF (NBR 14432/2000)

Fonte: Seito et al. (2008).

Martins (2000) relata que o colapso estrutural deve ser evitado (atendidos requisitos de estanqueidade e isolamento) por um tempo suficiente para possibilitar:

a) a fuga dos ocupantes da edificação em condições de segurança;

b) a segurança das operações de combate ao incêndio;

c) a minimização de danos a edificações adjacentes e à infraestrutura pública.

A norma NBR 15200 (2012) apresenta em seu item 8.2 um método tabular para a determinação do TRRF de uma edificação. Outro método apresentado é o método do tempo equivalente, considerado mais científico, demonstrado pelo Corpo de Bombeiros de São Paulo em sua Instrução Técnica Nº 08/2011 – Segurança estrutural nas edificações – resistência ao fogo dos elementos de construção. O método do tempo equivalente foi incorporado ao projeto de revisão da norma NBR 15200/2004.

Silva (2004) explica que este método consiste em calcular a temperatura de um elemento estrutural através da curva padrão para um tempo denominado equivalente(𝑡_𝑒), por sua vez essa temperatura corresponde à máxima temperatura do elemento estrutural de concreto armado, se analisado através da curva natural. Este conceito é resumido pela Figura 9.

Figura 9 – Conceito de Tempo Equivalente

Fonte: Costa (2008).

Através do método do tempo equivalente é possível reduzir³ a ação térmica através da inclusão de dispositivos de proteção ativa, tidos majoritariamente como mais eficiente. A NBR 15200 (2012) em seu Anexo A verifica se a redução do TRRF é válida, segundo os seguintes critérios:

3 A redução do TRRF normatizado é possível se houver condições favoráveis de segurança a incêndio, procedentes da proteção ativa, baixa carga de incêndio, etc (COSTA; STUCCHI; SILVA, 2005).

a) O tempo determinado por meio do método não pode ser inferior ao determinado pela NBR 14432 (ABNT, 2000), Tabela A.1, reduzido de 30 min, isto é:

TRRF – 30 min < 𝑡_𝑒 ≤ TRRF (Se sim, TRRF poderá substituído por 𝑡_𝑒) b) O tempo determinado por meio do método apresentado neste Anexo não pode ser inferior a 15 min, isto é:

𝑡_𝑒 < TRRF – 30 min (então, TRRF poderá ser substituído por TRRF - 30 min, desde que não seja inferior a 15 min)

A determinação de 𝑡_𝑒 é realizada através da Equação 2 (NBR 15200/2012):

𝑡_𝑒 = 0,07 𝑞_{𝑓𝑖,𝑘}W 𝛾_𝑛𝛾_𝑠 (Eq. 2) Onde:

𝑞_{𝑓𝑖,𝑘} valor característico da carga de incêndio específica (NBR 14432/2000);

𝛾_𝑛 fator de ponderação das medidas de segurança contra incêndio determinado por 𝛾_𝑛 = 𝛾_𝑛1 𝛾_𝑛2 𝛾_𝑛3, apresentados na Tabela 3 (na ausência de algum meio de proteção, adota- se 𝛾_𝑛 = 1);

𝛾_𝑠 fator de ponderação determinado por 𝛾_𝑠 = 𝛾_𝑠1𝛾_𝑠2, onde 𝛾_𝑠2 é determinado pelos valores da Tabela 4 e 𝛾_𝑠1 através da seguinte equação:

𝛾_𝑠1= 1 + 𝐴_𝑓(ℎ + 3)/10⁵ Onde:

𝐴_𝑓= área do piso do compartimento (m²);

ℎ = altura do piso habitável mais elevado da edificação (m);

Quando 𝛾_𝑠1< 1, adota-se 𝛾_𝑠1= 1, e quando 𝛾_𝑠1> 3, adota-se 𝛾_𝑠1= 3;

W fator que considera a influência da ventilação e da altura do compartimento. Este fator é determinado pela equação a seguir, em que 𝐴_𝑣 representa a área de ventilação para o ambiente externo (admitindo-se que os vidros das janelas se quebrarão em caso de incêndio), 𝐴_𝑓 representa a área do piso do compartimento e por fim H é altura do compartimento (piso ao teto em metros);

W = (⁶

𝐻)^0,3[0,62 + 90 (0,4 −^𝐴𝑣

𝐴𝑓)⁴] ≥ 0,5, para ^𝐴𝑣

𝐴𝑓 ≤ 0,30

A NBR 15200 (ABNT, 2012) recomenda que 𝐴𝑣/𝐴𝑓 deve ser maior ou a igual a 0,025;

quando maior do que 0,3, deve-se adotar 0,3.

Tabela 3 – Fatores de ponderação das medidas de segurança contra incêndio Valores de 𝜸_𝒏𝟏 , 𝜸_𝒏𝟐 𝒆 𝜸_𝒏𝟑

Existência de chuveiros automáticos

𝛾_𝑛1

Brigada contra incêndio

𝛾_𝑛2

Existência de detecção automática

𝛾_𝑛3

0,60 0,90 0,90

Fonte: Adaptado de NBR 15200 (ABNT, 2012).

Tabela 4 – Valores de 𝛾_𝑠2 em função do risco de ativação do incêndio (r)

𝜸_𝒔𝟐 r Exemplos de Ocupação

0,85 Pequena Escola, galeria de arte, parque aquático, igreja, museu.

1,0 Normal Biblioteca, cinema, correio, consultório médico, escritório, farmácia, frigorífico, hotel, livraria, hospital, laboratório fotográfico, indústria de papel, oficina elétrica ou mecânica, residência, restaurante, supermercado, teatro, depósitos (produtos farmacêuticos, bebidas alcoólicas, venda de acessórios de automóveis) e depósitos em geral 1,2 Média Montagem de automóveis, hangar, indústria mecânica

1,5 Alta Laboratório químico, oficina de pintura de automóveis Fonte: Adaptado de NBR 15200 (ABNT, 2012).

Os conceitos de TRRF e tempo equivalente podem ser usados no caso de distribuição uniforme de temperatura no elemento estrutural (aço ou alumínio isolado). Diante da facilidade desses métodos, estes são estendidos a estruturas com temperaturas não-uniformes, como estruturas de concreto ou de aço em contato com elementos robustos (SEITO et al., 2008).

Considerar distribuição uniforme de temperatura nos elementos de concreto é excessivamente favorável a segurança, uma vez que a condutividade térmica do concreto é bem menor do que a do aço e as peças desse material não são, em sua maioria, esbeltas como são os elementos metálicos (COSTA; SILVA, 2003).

3.4 TEMPO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRF)

O tempo de resistência ao fogo (TRF) é o tempo máximo que um elemento construtivo pode manter sua função, de acordo com critério de resistência ao fogo: estabilidade estrutural ou compartimentação (COSTA, 2008). Klein Júnior (2011) expõe o TRF como sendo o tempo para que uma estrutura, quando submetida ao incêndio, alcance algum estado limite, definido pelas normas técnicas de desempenho como um colapso estrutural, uma falha de integridade, também pode ser baseado em deformações máximas admissíveis. A segurança contra incêndio será satisfatória quando o TRF for maior ou igual ao TRRF.

Costa (2008) apresenta um esquema do processo de dimensionamento de estruturas, com base no conceito do tempo requerido de resistência ao fogo, demonstrado na Figura 10.

Figura 10 - Processo de dimensionamento de um elemento estrutural em situação de incêndio

Fonte: Costa (2008).

3.5 COMPORTAMENTO DO CONCRETO QUANDO SUBMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS

Como sabe-se, o concreto é um material largamente utilizado nas mais diversas construções do Brasil e do mundo. Isto se deve, principalmente, as suas múltiplas vantagens apresentadas, dentre elas: boa resistência mecânica, versatilidade de moldagem, disponibilidade de matéria prima, facilidade de execução, custo, durabilidade adequada a agentes externos agressivos além de contribuir com a sustentabilidade, por diversos fatores, como a possibilidade de incorporar adições de vários tipos de resíduos.

Apesar de todas essas vantagens, e de outras apresentadas anteriormente neste trabalho (incombustibilidade, baixa condutividade térmica e a não exalação de gases tóxicos ao ser aquecido), o concreto, por ser um material composto por diferentes fases tanto em nível

macroscópico quanto em nível microscópico, sofre alterações físicas, químicas e mecânicas quando exposto a altas temperaturas. Então, para compreender mais claramente que possíveis alterações são estas, é necessário entender como estão distribuídas as fases do concreto, em face a um olhar macro e microestrutural.

Em termos macroestruturais, isto é, visível a olho nu, o concreto possui duas fases que são facilmente diferenciadas: partículas de agregado com formatos e tamanhos variados e um meio ligante composto de uma pasta de cimento hidratada. Logo, conforme aponta Mehta e Monteiro (2008), por essa perspectiva o concreto pode ser considerado um material bifásico, uma vez que é constituído de partículas de agregados dispersas em uma matriz cimentícia.

Quando se analisa o concreto em termos microscópicos, pode-se perceber a grande complexidade inferida em sua estrutura. Lima et al (2004) explica que as duas fases, anteriormente comentadas, não estão distribuídas homogeneamente, uma em relação à outra, nem são em si mesmas homogêneas, uma vez que podem existir regiões onde a pasta de cimento hidratada é extremamente densa, tanto quanto o agregado, e outras onde é possível se verificar uma superfície mais porosa. Isto posto, Mehta e Monteiro (2008) advertem que é comum concretos produzidos com a mesma quantidade de cimento, no entanto com diferentes teores de água, apresentarem estruturas completamente diferentes.

De acordo com Lorenzon (2014), há uma descontinuidade na pasta de cimento gerada devido a presença de agregados graúdos, tal descontinuidade provoca diferenças significativas na pasta, especificamente em regiões próximas ao agregado. Esta interface entre a pasta e o agregado é comumente conhecida como zona de transição, sendo esta menos resistente que as demais fases, devido ao acumulo de água existente nessa região. Isto explica o fato de muitas características do comportamento do concreto só serem claramente entendidas e explicadas quando as propriedades da zona de transição são analisadas (MEHTA; MONTEIRO, 1994).

Assim sendo, quando se faz uma análise mais profunda do concreto, isto é, na sua microestrutura, é possível visualizar um material constituído de partículas de agregados englobadas por uma matriz porosa de pasta de cimento, com uma zona⁴ de transição entre as duas fases, constituída de características próprias (SILVA, 2013). Uma representação diagramática da zona de transição na interface pasta-agregado no concreto é apresentada na Figura 11.

4 “O tamanho e a concentração de compostos cristalinos, como o hidróxido de cálcio e a etringita, também são maiores nessa zona de transição” (MEHTA; MONTEIRO, 2008, p.43).

Figura 11 – Representação diagramática da zona de transição e da matriz da pasta de cimento no concreto

Fonte: Mehta e Monteiro (2008).

Em um nível mais detalhado, verifica-se que as fases do concreto são, intrinsicamente, subdivididas em elementos com natureza diversa. Assim sendo, as partículas de agregado podem conter vários minerais, além de microfissuras e vazios. Outrossim, a pasta de cimento hidratada contém, geralmente, uma distribuição heterogênea de cristais com diferentes tipos e quantidades de fases sólidas, poros e microfissuras. É válido salientar ainda, que a microestrutura do concreto não permanece estável com o passar do tempo, uma vez que a pasta de cimento hidratada e a zona de transição sofrem alterações conforme o tempo, umidade ambiente e temperatura (MEHTA; MONTEIRO, 1994).

A pasta endurecida é formada por produtos hidratados, sendo os principais: silicatos hidratados de cálcio (denominados de C-S-H - responsáveis pela resistência mecânica do concreto), cristais de hidróxido de cálcio (portlandita - Ca(OH)2), compostos menores (que contém aluminatos e/ou sulfato), por cimento não-hidratado e por vazios cheios de água ou ar (NEVILLE, 1997 apud LIMA, 2005).

Este conhecimento prévio sobre a estrutura do concreto e seus elementos constituintes básicos é fundamental para entender como a exposição a altas temperaturas afeta suas propriedades, pois os componentes da pasta de cimento hidratada e do agregado se decompõem, em maior ou menor grau, com o calor (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

Quando se realiza a análise do concreto sob estas condições, deve-se levar em consideração outros fatores como o formato e as dimensões das peças, o tempo de exposição ao fogo, a temperatura máxima atingida, o traço de concreto, o tipo de materiais que o compõem, a proporção entre concreto e aço, a taxa de aquecimento e o modo de resfriamento, estes dois últimos principalmente, uma vez que governam o desenvolvimento de pressões

internas gasosas que interferem na decomposição dos materiais (ZABEU, 2011; CÁNOVAZ, 1988; LIMA et al, 2004).

O conhecimento do comportamento do concreto em situação de incêndio é fundamental para o desenvolvimento de um projeto que atenda aos requisitos mínimos de segurança, uma vez que as alterações na estrutura do concreto, causadas pelo aumento de temperatura, desencadeiam, como dito anteriormente, perda de resistência e redução no módulo de elasticidade do concreto, o que pode gerar esforços internos adicionais devido à restrição dos nós nas estruturasconvencionais (SOUSA; SILVA, 2015).

Isto corrobora com Costa e Silva (2002) que discorrem que o aumento da temperatura causa perda de rigidez da estrutura e de modo agravante a heterogeneidade dos materiais constituintes do concreto (pasta, agregados, aço) conduz à degradação polifásica do concreto armado, podendo desencadear o colapso da estrutura.

Nos próximos itens, será abordado como ocorrem as alterações nos componentes do concreto, bem como em suas propriedades térmicas, físicas e mecânicas, quando exposto a altas temperaturas.

3.5.1 Efeito da alta temperatura nas propriedades térmicas do concreto

É indispensável conhecer sobre as propriedades térmicas do concreto sob altas temperaturas, visto que elas podem fornecer uma aproximação da distribuição dos gradientes de temperaturas e serem usadas para o dimensionamento de estruturas que consideram ações térmicas (LOREZON, 2014).

O calor específico pode ser definido como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura em 1ºC de uma unidade de massa de um material. Conforme Silva (2009) a variação do calor especifico (cp) do concreto em altas temperaturas depende do traço empregado, do tipo de agregado, do teor de umidade, etc. Contudo, Lorenzon (2014) adverte que o tipo de agregado exerce pouca influência sob o calor especifico (uma vez que possuem valores de calor especifico similares aos da pasta de cimento), no entanto, o mesmo não pode ser dito quanto ao teor de umidade.

A Figura 12 apresenta o gráfico da variação do calor específico do concreto em função da temperatura, para três teores de umidade diferentes (0%, 1,5% e 3,0%).

Figura 12 - Calor específico do concreto cp em função da temperatura, considerando três valores para o teor de umidade no concreto

Fonte: EN 1992-1-2 (2004).

De acordo com Costa (2008), o “salto” do calor específico próximo dos 100ºC se dá devido a evaporação da água livre.

Quanto a condutividade térmica esta indica a capacidade que um material tem de conduzir calor. Reduzindo com o aumento da temperatura, esta propriedade depende do grau de saturação e principalmente do tipo de agregado utilizado, que constituem cerca de 70% do volume do concreto. A condutividade do concreto é influenciada ainda pela porosidade da pasta de cimento (CALLISTER JÚNIOR, 2002)

Neville (1997) apud Lorenzon (2014) ressalta que concretos menos saturados, possuem menor condutividade em razão da menor capacidade da água em conduzir calor se comparado a pasta⁵. Os concretos com baixa condutividade térmica, como por exemplo, os leves, possuem melhor desempenho ao fogo, uma vez que resistem mais ao fogo do que concretos comuns (NEVILLE, 1997 apud SILVA, 2009). A Tabela 5 traz valores típicos de condutividade térmica para concretos produzidos com diferentes típicos de agregados à temperatura ambiente.

Tabela 5 - Valores de condutividade térmica para concretos com diferentes tipos de agregado Tipo de agregado Condutividade

térmica (W/m.K)

Quartzito 3,5

Dolomita 3,2

Calcário 2,6 – 3,3

Granito 2,2 – 2,7

Riolito 2,2

Basalto 1,9 – 2,2

Fonte: Adaptado de Mehta e Monteiro (1994).

5 Condutividade térmica [W/(m ºC)] : pasta de cimento endurecida (1,1 a 1,6), água (0,515) (EN 1992-1-2:2004).