estrutura metálica em situação de incêndio – revisão

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ESTRUTURA METÁLICA EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO – REVISÃO

Fernando Pereira Rodrigues da Cunha1

Vitor Oliveira Machado**

Cleverson Gomes Cardoso***

RESUMOPara o dimensionamento, em situação de incêndio é essencial a verificação dos elementos estruturais e de suas ligações, com ou sem proteção contra incêndio, retardando os efeitos do incêndio. O objetivo deste trabalho é apresentar de maneira simplificada o comportamento das estruturas de aço em situação de incêndio, mostrando os procedimentos de análise das mesmas nessas condições, elaborando comparações e análise com gráficos das curvas referentes a normas. Neste trabalho, são apresentados os fundamentos da NBR 14323:2013 para o dimensionamento de elementos estruturais de aço em situação de incêndio, incluindo as características dos incêndios, os conceitos relacionados a ações e segurança, a obtenção do tempo requerido de resistência ao fogo, os tipos de proteção contra incêndio que podem envolver os elementos estruturais, os procedimentos para a obtenção da elevação da temperatura nos elementos estruturais, os métodos para a obtenção das resistências de cálculo e a variação das propriedades do aço com a elevação da temperatura. São apresentados gráficos com valores desta temperatura em função das condições à temperatura crítica para pilares curva da resistência e da relação entre a temperatura ambiente para análise teórica de estruturas. Foi também analisado um exemplo completo do dimensionamento em situação de incêndio de um pilar de uma edificação para ilustrar a aplicação dos métodos de compressão e aplicação das proteções ativas e passivas, recomendados pela NBR 14423 (1999). Aplicando-se estes métodos de dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio, obtêm-se condições mais favoráveis à economia e à segurança na Construção Metálica.

Palavras-chave: Temperatura crítica. Incêndio. Construção metálica.

1Graduando em Engenharia Civil.Pontifícia Universidade Católica de Goiás.E-mail: [email protected].??Graduando em Engenharia Civil.Pontifícia Universidade Católica de Goiás.E-mail: [email protected].

???Prof. Msc. Departamento de Engenharia. Pontifícia Universidade Católica de Goiás. Email: [email protected].

Page 3: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

1. INTRODUÇÃO

Para o dimensionamento, em situação de incêndio é essencial a verificação dos

elementos estruturais e de suas ligações, com e sem proteção contra incêndio, tendo em

vista evitar a estrutura vir ao colapso em um tempo menor necessário para possibilitar a

evacuação dos usuários da edificação e permitir o ingresso de profissionais e equipamentos

para combater o foco de incêndio. As atuais normas brasileiras NBR 14323:2013: "Projeto de

estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios em situação de

incêndio" (NBR 14423 (1999)) "Exigência de resistência ao fogo de elementos construtivos de

edificações" permitem determinar os esforços atuantes e resistentes nos elementos

estruturais de aço, em situação de incêndio, e, a partir desses valores, verificar a segurança

estrutural, nessa condição excepcional de ações. São apresentados métodos simplificados,

mas as normas permitem o emprego de métodos avançados de análise térmica e estrutural.

Os métodos simplificados de calculo para obtenção de esforços resistentes, dependendo do

tipo de solicitação e do estado limite ultimo, considera-se de forma simplificada, distribuição

uniforme de temperatura.

Quando as medidas de proteção contra incêndio não forem eficazes para

extinguir o incêndio durante a fase anterior à combustão generalizada, e houver

necessidade de verificação da segurança da estruturada edificação, deve-se considerar

o efeito da ação térmica. Então, faz-se necessário o uso de um modelo de incêndio por

meio de curvas tempo-temperatura. Embora não represente o desenvolvimento de um

incêndio real, convencionou-se adotar a curva de incêndio-padrão como modelo para

análise teórica de estruturas, de materiais de proteção térmica, de portas corta- fogo,

dentre outros.

Para a ocorrência de um incêndio, são necessários: material oxidável

(combustível), material oxidante (comburente) e fonte de ignição (energia térmica).

Esses três elementos podem ser associados a um triângulo conhecido como triângulo

do fogo. Eliminando-se um desses três elementos, o incêndio não ocorrerá. Pode-se

afastar ou eliminar a substância que está sendo queimada, embora isso nem sempre

seja possível. Pode-se eliminar ou afastar o comburente (oxigênio), por abafamento ou

pela sua substituição por outro gás não comburente. Pode-se eliminar o calor,

provocando o resfriamento, no ponto em que ocorre a queima ou combustão. Um

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sistema de segurança contra incêndio consiste em um conjunto de meios ativos

(detecção de calor ou fumaça, chuveiros automáticos, brigada contra incêndio, etc.) e

passivos (resistência ao fogo das estruturas, compartimentação, saídas de emergência,

etc.) que possam garantir a fuga dos ocupantes da edificação em condições de

segurança, a minimização de danos a edificações adjacentes e à infraestrutura pública

e a segurança das operações de combate ao incêndio, quando essas forem

necessárias.

No contexto podem-se citar três casos de comportamentos-padrões para

estruturas de Engenharia Civil em situação de incêndio: curva temperatura-tempo para

incêndio de pequenas proporções (com temperaturas menores e sem riscos a vida

humana), Modelo do Incêndio Natural e Modelo do Incêndio Padrão.

Este trabalho tem como objetivo principal fazer uma análise crítica do Método

Simplificado para o dimensionamento em situação de incêndio, quando utilizados no

cálculo de pilares de aço em situação de incêndio. Para que se permita atingir este

objetivo a análise de um dimensionamento de uma bibliografia existente de um perfil

submetido aos de esforços compreensão, em temperatura ambiente, e a medidas a

serem tomadas quanto a verificação do perfil com e sem proteção passivas e ativas.

Os meios de proteção ativa e combate ao incêndio podem ser: Uso de materiais

de revestimento que minimizem a propagação das chamas, extintores,

compartimentação horizontal (lajes) e vertical (portas corta-fogo) para evitar

propagação do fogo, brigada particular contra incêndio, sistemas automáticos de

detecção de calor ou fumaça, sistema de chuveiros automáticos, sistema de exaustão

de fumaça, rede de hidrantes, rotas de saída (incluindo escadas de segurança)

dimensionadas, sinalizadas e desobstruídas, segurança estrutural das rotas de saída. A

fim de preservar a vida humana, a segurança das estruturas expostas ao fogo das rotas

de saída, deve ser garantida durante o tempo de evacuação, em incêndio.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1.Tensão-deformação

Através das curvas tensão-deformação elaboradas por BROCKENBROUGH

(1970) (apud SOUZA JUNIOR) para temperaturas elevadas, CULVER,

OSSEMBRUGEN e AGGARWAL (CULVER, 1972, CULVER et al., 1973,

OSSEMBRUGEN et al., 1973) (apud SOUZA JUNIOR) desenvolveram uma

metodologia para a análise de flambagem em pilares de aço. Baseando-se no método

de integração numérica de Newmark, análise não-linear o procedimento idealizado

levava em consideração a ocorrência na seção transversal da peça é a ocorrência de

deslocamento da configuração de referência da resposta temporal quando se integra

por um longo período de tempo usando método elementos finitos. Em decorrência

desse estudo, fórmulas simplificadas para a determinação da tensão de flambagem a

altas temperaturas foram desenvolvidas.

Com o objetivo de determinar a temperatura crítica de elementos estruturais

isolados, KRUPPA (1979) (apud SOUZA JUNIOR) apresentou, no Centre Technique

Industriel de la Construction Métallique – CTICM – França, um método numérico

simplificado capaz de levar em conta as variações de temperatura na seção e os efeitos

da restrição à expansão térmica imposta pela região não aquecida da estrutura.

ABDEL AZIZ (1987) (apud SOUZA JUNIOR) apresentou no Institut National des

Sciences Appliqueées de Rennes, na França, uma modelagem numérica para a análise

de peças de aço comprimidas em situação de incêndio. A análise possibilitava a

representação dos efeitos da restrição imposta pelo restante da estrutura à parte

aquecida, através da imposição de esforços nas extremidades das peças.

Segundo o laboratório NFPA 921: Guide for Fire and Explosion Investigations, 2

Edition (2004), flashover é uma fase transitória do desenvolvimento de um fogo em

compartimento durante o qual as superfícies expostas à radiação térmica atingem a sua

temperatura de ignição mais ou menos simultaneamente.

O método simplificado de dimensionamento que faz parte da NBR 14323:2013 é

de fácil utilização, geralmente conduz a resultados conservadores, e pode ser aplicado

à maior parte dos elementos estruturais de aço constituídos por perfis laminados e

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perfis soldados e ainda às ligações. Ele foi baseado no procedimento recomendado

pela pré-norma europeia de incêndio ENV 1993-1-2: 1995, e adaptado à realidade

brasileira, em especial às diretrizes básicas da NBR 8800 (FAKURY, 2000). Por isso,

observa-se que as metodologias de dimensionamento de estruturas de aço em situação

de incêndio propostas pela NBR 14323 e pela parte 1.2 do Eurocódigo 3 apresentam

formulações muito semelhantes.

Posteriormente, WITTEVEEN (1967) (apud FERNANDES) publicou um estudo

sobre análise de elementos de aço submetidos a altas temperaturas. Foi considerado

um regime elástico para a análise estrutural, e algumas simplificações foram feitas.

Entre elas, pode-se citar a variação da resistência ao escoamento em função da

temperatura e a distribuição uniforme de temperatura ao longo da seção transversal do

elemento. Não havia restrições à expansão térmica do mesmo.

2.2. Dinâmica do incêndio

O aumento da temperatura nos elementos estruturais, em consequência da ação

térmica, causa redução da resistência, redução da rigidez e o aparecimento de esforços

solicitantes adicionais nas estruturas. Os incêndios dependem de muitos parâmetros

para que não ocorram. Cada incêndio tem sua própria situação, evolução da

temperatura no tempo dependente e fatores que se correlaciona em ambientes com

características de determinadas. (SILVA, 2004)

Outra forma de ocorrência de um incêndio, que embora raro e não desejado, e

passível de acontecer, possuindo na edificação material oxidável (combustível),

material oxidante (comburente) e fonte de ignição (energia térmica), esses três

elementos associados durante tempo decorrido poderá levar a estrutura ao colapso,

juntos e conhecidos como triangulo de fogo, de acordo com a fig.1.

Page 7: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

Figura 1. Triângulo do fogo. (AZEVEDO, M. S, 2005)

Combustível é o material oxidável (sólido, líquido ou gasoso), capaz de reagir

com o comburente (em geral o oxigênio) numa reação de combustão. Exemplos:

madeira, solventes, polímeros, dentre outros.

Comburente é o material gasoso que pode reagir com um combustível,

produzindo a combustão. Exemplo: oxigênio do ar.

Energia térmica é a fonte de ignição, ou seja, o agente que dá início ao processo

de combustão, introduzindo na mistura combustível/comburente, a energia mínima

inicial necessária. As fontes de ignição mais comuns nos incêndios são: chamas,

superfícies aquecidas, fagulhas, centelhas, arcos elétricos, além dos raios, que são

uma fonte natural de ignição.

O risco de início de incêndio severo, sua intensidade e duração estão associados

a:

Atividade desenvolvida no edifício, tipo e quantidade de material combustível

(mobiliário, equipamentos, acabamentos), tecnicamente denominada carga de incêndio,

nele contido. Por exemplo, o risco de um grande incêndio em um depósito de tintas é

maior que em uma indústria de processamento de papel;

Forma do edifício. Um edifício térreo com grande área de piso, sem

compartimentação, pode representar um risco maior de incêndio do que um edifício,

com diversos andares, de mesma atividade, subdividido em muitos compartimentos,

que confinarão o incêndio;

Condições de ventilação do ambiente, ou seja, dimensões e posição das janelas;

Propriedades térmicas dos materiais constituintes das paredes e do teto. Quanto

mais isolantes forem esses materiais, menor será a propagação do fogo para outros

ambientes;

Sistemas de segurança contra incêndio. A probabilidade de início e propagação

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de um incêndio é reduzida em edifícios onde existam detectores de fumaça, sistema de

chuveiros automáticos, brigada contra incêndio, compartimentação adequada, etc.

Considerando todos esses aspectos de grande complexidade e, sobretudo, o

baixo risco à vida humana, existem edificações isentas, ou sejam, que não necessitam

de comprovação da resistência ao fogo das estruturas. A NBR 14432 apresenta um rol

de situações em que essas isenções são aceitas. Um resumo é apresentado as

edificações isentas de acordo com o quadro 1.

Quadro 1: Exemplos de edificações isentas de verificação de resistência ao fogo. Fonte: ABNT. NBR 14432 (2000).

A principal característica de um incêndio, no que concerne ao estudo das

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estruturas e a curva que fornece a temperatura dos gases em função do tempo de

incêndio (figura 2) nesta curva e possível calcular- se a máxima temperatura atingida

pelas peças estruturais e suas correspondentes resistência as altas temperaturas.

Figura 2. Curva temperatura-tempo de um incêndio (flashover).

O fogo se propaga rapidamente por todo o espaço, culminando na participação

de todo o compartimento. A partir do flashover, caso não exista ou não atuem com

eficiência as medidas de prevenção de incêndio, pode haver a necessidade de

verificação de segurança da estrutura, tendo em vista a magnitude do incêndio. Com

essa situação deve-se verificar a ação térmica nos elementos estruturais com um

comportamento padrão do incêndio e devido ao incremento da temperatura.

Quando o modelo não for eficiente para extinguir o incêndio durante a fase

anterior a combustão generalizada, e houver necessidade de verificação de segurança

estrutura, então deve-se considerar ação térmica com meio das curvas tempo e

temperatura. Embora não represente o desenvolvimento de um incêndio real, deve-se

adotar a curva padrão como modelo de analise teórica de estruturas, de materiais de

proteção térmica, portas contra fogo entre outros, etc. Na decorrência de poucos e mais

detalhados estudos, essa curva padronizada para ensaios pode ser adotada como

curva temperatura dos gases ou modelo de incêndio padrão.

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Figura 3. Incêndio-padrão.

No incêndio natural considera-se a variação de material combustível (carga de

incêndio), os níveis de ventilação que atuam sobre o incêndio e o grau de

compartimentação. Nesse modelo a temperatura dos gases respeita as curvas

temperatura-tempo natural, na qual são feitas por meios de ensaios ou modelos

matemáticos aferidos em ensaios de incêndio que simulam a situação real. Assim com

os resultados dos ensaios observa-se que a curva temperatura tempo de um incêndio

irão depender das variantes que tem no ambiente. Observando que a curva

temperatura tempo do incendo natural na figura 4 que a uma ascendente continuo, o

qual e o aquecimento dos gases e uma fase decrescente mais distribuída a qual será o

resfriamento dos gases.

Figura 4. Incêndio-natural.

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2.3. Fatores de massividade ou de forma

Um conceito importante a ser introduzido é o de massividade, visto que influencia

fortemente a temperatura a ser atingida durante um incêndio. Fator de massividade ou

de forma de um corpo é a relação entre a área exposta ao fogo e o volume aquecido do

corpo. No caso de barras prismáticas de comprimento l, o fator de massividade (eq.1)

pode ser expresso pela relação entre o perímetro u, exposto ao fogo, e a área da seção

transversal A, ou seja:

(1)

A Figura 5 apresenta curvas de temperatura-tempo em função do fator de

massividade para dois perfis com diferentes tipos de seções transversais. Pode ser

observando que quanto mais esbelta for a seção transversal do elemento estrutural,

maior será a massividade do perfil e mais rápido o seu aquecimento.

Para diminuir o fator de massividade de uma peça estrutural, pode-se adotar um

perfil que apresente uma seção transversal mais robusta (a ideia de proteger aço com

aço) ou revestí-lo com algum material que apresente capacidade de isolamento térmico.

Este último método será melhor explanado adiante.

Figura 5. Elevações da temperatura de dois perfis com diferentes fatores de massividade.

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A principal característica dessa família de curvas e a de possuir um ramo

ascendente, admitindo apenas, portanto, que as temperaturas dos gases sejam sempre

crescentes com o tempo e, além disso, independente das características do ambiente e

da carga do incêndio. Esse modelo não representa um incêndio real, para se tirar

quaisquer conclusões que tenham por base a curva devem ser, analisadas com

cuidado, as estruturas expostas ao incêndio. Pela simplicidade, é comum utilizar-se a

curva-padrão associada ao tempo padronizado admitido por consenso técnico

“conforme figura 6” parâmetros para projeto.

Figura 6. Temperaturas do elemento estrutural de ação sem proteção térmica, em função do fator

massavidade tempo. (SILVA,2001)

O Limite de Escoamento e Módulo de Elasticidade, as características físicas e

químicas do aço, quando exposto a altas temperaturas, sofrem alteração redução de

módulo e elasticidade (3). A eq.2 fornece os fatores de redução do limite de

escoamento dos aços laminados (2), relativos aos valores a 20 ºC, para taxas de

aquecimento entre 2 ºC/min e 50 ºC/min.

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(2)

(3)

Sendo que:fy,θ: é o limite de escoamento dos aços laminados a uma temperatura θa;

fy: é o limite de escoamento do aço a 20ºC;

Eθ: é o módulo de elasticidade dos aços laminados a uma temperatura θa;

E: é o módulo de elasticidade de todos os aços a 20ºC.

Figura 7. Variações dos fatores de redução com o aumento da temperatura.

Para facilitar a obtenção dos parâmetros ky,θ e kE,θ , a tabela a seguir pode ser

usada:

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Tabela 1. Valores de ky, θ e kE, θ.

Fonte: ABNT. NBR 14323 (1999).

As Figuras 8 e 9 a seguir apresentam de maneira comparativa as variações da

resistência ao escoamento e do módulo de elasticidade do concreto e do aço, quando

ambos estão submetidos a altas temperaturas.

Figura 8. Variações da resistência ao escoamento (relativa) com a temperatura – Aço e Concreto NBR

14323 e NBR 15200.

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Figura 9. Variação do módulo de elasticidade (relativo) com a temperatura – Aço e Concreto.

Fonte: NBR 14323 e NBR 15200.

Entretanto, as curvas descritas acima estão relacionadas a corpos-de-prova dos

dois materiais, com as mesmas geometrias. Na prática, entretanto, como as estruturas

metálicas são dimensionadas e confeccionadas com peças de seções mais esbeltas,

devido às suas propriedades mecânicas, esse tipo de análise comparativa não pode ser

realizado de maneira adequada.

2.4. Barras comprimidas

Para o cálculo da resistência à flambagem Nb,fi,t,Rd no instante t de um

elemento comprimido, cuja seção transversal seja da Classe 1, Classe 2 ou Classe 3,

conforme o Eurocódigo 32 ou nbr 8800, e esteja sujeita a uma temperatura uniforme

θa, deve-se utilizar a seguinte expressão:

(4)Onde:

χfi :é o fator de redução atribuído à flambagem por flexão em situação de incêndio, conforme a Eq. (4);

2O Eurocódigo 3 define quatro classes de seções:

- Classe 1: seções transversais que permitem mobilizar a sua resistência plástica, sem que haja risco de ocorrer flambagem local, e possuam uma ampla capacidade de rotação que possibilite a formação de uma rótula plástica. Classe 2: seções transversais que permitem mobilizar a sua resistência plástica, sem que haja risco de ocorrer flambagem local, mas que possuam uma capacidade de rotação limitada;

- Classe 3: seções transversais que permitem mobilizar a sua resistência elástica nas fibras extremas, mas não a sua resistência plástica, devido ao risco de ocorrer flambagem local. Classe 4: seções transversais que não permitem atingir a sua resistência elástica, devido ao risco de ocorrer flambagem.

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A:é a área da seção transversal da barra de aço;

ky,θ :é o fator de redução do limite de escoamento do aço à temperatura θa, conforme a Tabela 2;

fy:é o limite de escoamento do aço à 20ºC;

γM,fi :é o fator parcial de segurança atribuído ao material em situação de temperatura elevada

(γM,fi=1,0).

O valor de χfi deve ser adotado como sendo o menor dos valores χy,fi e χz,fi ,

determinados de acordo com a expressão abaixo:

(5)

(6)E o fator de imperfeição α é obtido por:

(7) Já o parâmetro θλ, definido como sendo a esbeltez adimensional para uma

temperatura uniforme θa, é expresso a seguir:

(8)Onde:

λ: é a esbeltez adimensional determinada a frio de acordo com a Eq. (9), porém

utilizando-se o comprimento de flambagem3 em situação de temperatura elevada lfi7;

ky, θ :é o fator de redução do limite de escoamento do aço à temperatura θa, conforme

a Tabela 2;

kE,θ : é o fator de redução do módulo de elasticidade do aço à temperatura θa, atingida

no instante t, conforme a Tabela 2;

A esbeltez adimensional λ é definida por:

3 De acordo com o Eurocódigo 3, o comprimento de flambagem em situação de incêndio ( lfi) deve, na grande maioria dos casos, ser determinado da mesma maneira que no cálculo à temperatura ambiente. Porém, numa estrutura constituída de pórticos contraventados, o comprimento de flambagem lfi de um pilar pode ser determinado considerando que este está engastado nas extremidades dos pilares dos compartimentos de incêndio localizados imediatamente acima e abaixo do referido pilar, tanto para ligações contínuas ou semi-contínuas, desde que a resistência ao fogo dos elementos do edifício que separam esses compartimentos, não seja menor que a resistência ao fogo do pilar em questão.

Page 17: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

(9)

Sendo que λ é a esbeltez da peça, obtida neste caso em função do comprimento

de flambagem em situação de incêndio, dada por:

(10)

Onde: i é o raio de giração da seção transversal. Já λl é dado por:

(11)

2.5.NBR 14432 (2000)

As considerações de cálculo descritas a seguir se aplicam às barras

comprimidas axialmente, cujos elementos componentes da seção transversal não

possuam relações de largura-espessura (b/t) superiores aos valores (b/t)máx dados na

Tabela 1 da NBR 14432(2000) para seções classe 3, multiplicando-se os valores do

módulo de elasticidade E por kE,θ e o limite de escoamento fy por ky,θ. Desta maneira

assegura-se que os elementos componentes da seção transversal das barras não

sofrerão flambagem local em incêndio. A Tabela 2 apresenta esses valores.

Tabela 2. Valores de (b/t)máx .

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Fonte: ABNT. NBR 14432 (2000).

Portanto, a resistência de cálculo dessas barras, com distribuição uniforme de

temperatura na seção transversal e ao longo do comprimento, para o estado limite

último de flambagem por flexão será dada pela expressão:

(12)

Em que:- afi,φ: é o coeficiente de resistência do aço. Assume-se de valor 1, devido ao fato do incêndio ser um

fenômeno excepcional, a resistência do aço não precisa sofrer redução;

- ρfi:é o fator de redução da resistência à compressão em situação de temperatura elevada (incêndio).

Determinado de acordo a NBR 8800, mas usando-se:

Independentemente do tipo de seção transversal, do modo de instabilidade e do

eixo em relação ao qual esta instabilidade ocorre;

O parâmetro de esbeltez θλ para a temperatura θa dado por:

Page 19: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

(13)

Sendo:

(14)Escreve-se para ρfi,

(15)Onde:

(16)Sendo:

λ: o parâmetro de esbeltez para barras comprimidas, determinado de acordo com a NBR 8800;lc:o comprimento de flambagem, determinado de acordo com o projeto à temperatura ambiente;ky,θ:o fator de redução do limite de escoamento do aço à temperatura θa, conforme a Tabela 2;kE,θ:o fator de redução do módulo de elasticidade do aço à temperatura θa, atingida no instante t, conforme a Tabela 2 ;Ag :a área bruta da seção transversal da barra de aço;fy:o limite de escoamento do aço à 20°C;ka:o fator de correção empírico da resistência da barra em situação de incêndio, cujos valores são especificados abaixo:

Na Figura 10, pode-se observar a variação das resistências de cálculo das

barras submetidas à compressão em incêndio com a esbeltez, para as temperaturas de

400 °C, 550 °C e 700 °C. Para efeito de comparação, a figura citada também apresenta

as curvas a, b, c e d, em temperatura ambiente da NBR 8800.

Page 20: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

Figura 10. Variações à Compressão com a Esbeltez.

2.6. Proteção ativa

A proteção ativa, é constituída de instalações de equipamentos de proteção

contra incêndio que necessitam de um acionamento manual ou automático para

garantir seu funcionamento em caso de incêndio. Esta instalação tem como objetivo a

rápida detecção do incêndio, o alerta aos usuários do edifício para a evacuação segura

e o eficiente combate e controle do fogo, tentando evitar que o incêndio chegue no

ponto de flashover. Dentre os principais sistemas de proteção ativos estão:

Sistema de proteção por extintores de incêndio (fig.12);

Sistema de proteção por hidrantes;

Sistema de chuveiros automáticos, comumente denominados sprinklers (fig.11);

Sistema fixo de espuma;

Sistema fixo de gás carbônico (CO2)

Abafadores;

Bombas costais.

Sistema de exaustão da fumaça de incêndio.

Os projetos de proteção ativa são elaborados de acordo com as normas do

Corpo de Bombeiros Militar de cada Estado e, em seguida, devem ser aprovados pelo

mesmo órgão.

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Figura 11. Chuveiro de incêndio.

Fonte: PCF (2006).

Os chuveiros automáticos ou sprinklers são dispositivos com elemento termo

sensível projetados para serem acionados em temperaturas pré-determinadas,

lançando automaticamente água sob a forma de aspersão sobre determinada área,

com vazão e pressão especificados, para controlar ou extinguir um foco de incêndio

assim evitando o flashover.

Figura 12. Extintor de incêndio.

Fonte: PCF (2006).

Os extintores de incêndio são equipamentos indicados para controlar princípio de

incêndio. Tal limitação se deve ao fato de ter carga de produto reduzida. E são

colocados em um estabelecimento de acordo com as normas do corpo de bombeiro

militar, pois são eles que vão dar a Avaliação do Corpo de Bombeiros (AVCB).

2.7. Proteção passiva

Quando os elementos estruturais submetidos a alta temperatura sofrem redução

da rigidez, e necessário adotar medidas para que este consiga resistir os esforços.

Page 22: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

Então faz o dimensionamento para resistir a temperatura de incêndio ou reveste o

elemento estrutural com materiais de proteção térmica (proteção passiva), os quais

devem apresentar capacidade para se deformar quando sujeito a aumento de

temperatura, baixa condutividade térmica, perfeita aderência a estrutura em que são

aplicadas e capacidade para resistir ao choque, a agentes atmosféricos e químicos.

A proteção passiva pode ser de diversos materiais como:

Gesso;

Vermiculite;

Fibras minerais;

Argila expandida e betões leves;

Tintas intumentes.

Os sistemas de proteção passiva podem ser feitos de várias formas como:

Proteção por envolvimento total, a qual consiste em envolver completamente

com material protetor todo o perfil.

Proteção por resguardos ou ecrãs, a qual consiste na utilização de placas rígidas

sob a forma de tetos falsos suspensos ou painéis de parede de forma a retardar o

aquecimento da estrutura.

Proteção por material projetado ou tintas intumentes, o qual consiste na

aplicação de tintas intumentes ou de um reboco de argamassas adequadas

acompanhando o contorno do perfil. O tipo de proteção obtido depende da

espessura da proteção e do tipo de material utilizado. A aplicação pode ser feita

acompanhando ou não o contorno do perfil.

Proteção por caixão, a qual consiste na aplicação sobre a superfície a proteger

de placas pré - fabricadas de Betão celular, de cimento e vermiculite e de gesso,

acompanhando o contorno ou de forma de caixão.

Page 23: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

Figura 13. Betão.

Fonte: REFRASOL (2005).

Betão é um material de proteção, o qual envolve o elemento estrutural a proteger

por forma de caixão ou acompanhando o contorno. Podendo ser de concreto celular

pré-fabricado ou de concreto armado.

Figura 14. Vermiculite. Fonte: REFRASOL (2005).

Isolamento por Vermiculite, e um material pertencente a família das micas, sendo

uma rocha mineral que se apresenta sob a forma de laminas finas separadas por

articulas de agua. A sua aplicação deve ocorrer durante a fase de montagem das

estruturas, pois requer limpeza após a aplicação.

Figura 15. Ensaio de tintas intumentes.

Fonte: REFRASOL (2005).

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As tintas intumentes reagem na elevação da temperatura formando uma camada

protetora que pode atingir uma maior espessura do filme inicial,são liberados gases

atóxicos em conjunto com resinas especiais formando uma espuma rígida na superfície

da estrutura, provocando o retardamento da elevação da temperatura nos elementos

metálicos.

Figura 16. Argamassa projetada.

Fonte: REFRASOL (2005).

A argamassa projetada a base de fibra mineral, consiste numa proteção tipo

contorno, pois e aplicada ao longo do perfil. Dentre as vantagens desse tipo de sistema

e a redução de custos e a rapidez de sua execução, pois não usa pinos nem tela para

sua fixação. A desvantagem da sua superfície rugosa não apresenta boa estética.

2.8. Dimensionamento à compressão

O pilar verificado do autor Ferreira; Correia; Azevedo (2009) à compressão axial

consiste numa peça de 3200 mm de comprimento, cujas seções de extremidades estão

rotuladas segundo os eixos x e y e estão impedidas para torcer e livres para empenar

segundo o eixo z (kz = 1,00). A seção transversal do pilar é constituía por um perfil W

150 x 37,1, laminado e confeccionado com aço ASTM A572 Grau 50 (Açominas). O

módulo de elasticidade do aço vale E = 20.5000 MPa.

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Figura 17. Dimensionamento de Pilar.

Fonte: (FERREIRA, W. G.; CORREIA, E. V. S; AZEVEDO, M. S, 2009).

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Page 27: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

Os valores das resistências de cálculo à compressão axial do pilar foram

determinados para cada uma das seguintes situações:

• pilar sem proteção térmica, exposto às chamas conforme condições propostas na

Figura 18 (adotando-se a espessura de 10 cm para todas as paredes);

• todas as faces expostas às chamas, mas protegidas com os materiais.

a) pilar com todas as faces expostas às chamas – condição I;

b) pilar com parede de vedação assentada na direção perpendicular

à alma do perfil – condição II;

c) pilar com parede de vedação assentada na direção paralela à

alma do perfil – condição III;

d) pilar com paredes de vedação assentadas nas direções

perpendicular e paralela à alma do perfil – condição IV.

Figura 18. Condições de exposição do pilar às chamas (sem proteção térmica).

Fonte: (FERREIRA, W. G.; CORREIA, E. V. S; AZEVEDO, M. S, 2009).

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Os gráficos indicados através das Figuras 19, 20 e 21 ilustram, para cada uma

das condições, a variação da resistência de cálculo à compressão.

Figura 19. Resistência de cálculo à compressão em função do número de faces expostas ao fogo (fator

de massividade) e do TRRF (pilar sem proteção contra fogo).

Figura 20. Resistência de cálculo à compressão em função do tipo de material de proteção contra fogo e

do TRRF (morfologia do revestimento térmico: tipo contorno).

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Figura 21. Resistência de cálculo à compressão em função do tipo de material de proteção contra fogo e

do TRRF (morfologia do revestimento térmico: tipo caixa).

3. CONCLUSÃO

Ao analisarmos todas as possíveis consequências de um incêndio desenvolvido

em um ambiente contendo toda a proteção contra incêndio exigida, assumimos o pior

(ou a mais provável) local para a primeira ignição.

Verificou-se que devido à pequena variação dos fatores de massividade, as

curvas apresentaram comportamentos semelhantes para cada tipo de esforços, ou

seja, a influência do número de faces do elemento expostas ao fogo, na resistência em

incêndio das peças analisadas, foi pequena.

Observou-se que para uma mesma condição de exposição do perfil às chamas

(definido para o exemplo de dimensionamento), as curvas apresentaram diferentes

comportamentos em função das morfologias dos revestimentos adotados (proteções

tipo contorno e tipo caixa) e das propriedades dos materiais que compõem os mesmos.

Portanto, constatou-se que o revestimento térmico interfere, consideravelmente, nos

valores das resistências em temperatura elevada.

De forma a reduzir a necessidade de proteções adicionais que encareçam o

custo da edificação, as medidas de segurança a vida, como rotas de saída o uso de

materiais de acabamento que não propaguem as chamas, a compartimentação para

que o fogo não avance sobre outras áreas e o uso de sistemas ativos são exigências

Page 30: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

em normas e decretos que devem ser usados paralelamente a proteção passiva das

estruturas.

A proteção tipo contorno com argamassa de fibras minerais foi a que apresentou

melhores resultados, sem levar em consideração o custo dos revestimentos de

proteção.

Steel Structures in Fire Situation

ABSTRACTFor sizing, in situation of fire is essential to the verification of structural elements and

their links, with or without fire protection, in order to avoid the structure to collapse. The

aim of this work is to present simplified manner the behavior of steel structures in fire

situation, showing the same analysis procedures under these conditions, making

comparisons and analysis with graphs of curves relating to standards. In this work, are

presented the fundamentals of NBR 14323: 2013 for the design of steel structural

elements in a fire situation, including the characteristics of fires, the actions and safety-

related concepts, obtaining the time required fire resistance, fire protection types that

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can involve the structural elements, the procedures for obtaining the temperature

increase in the structural elements the methods for obtaining of resistances and the

variation of properties of steel with the temperature increase. Charts are presented with

this temperature values in the light of conditions on the critical temperature to resistance

curve and pillars of the relationship between the room temperature to theoretical

analysis structures. It was also analyzed a complete example of sizing in fire situation of

a pillar of a building to illustrate the application of compression methods and application

of the active and passive protections, recommended by NBR 14423 (1999). Applying

these sizing methods of steel structures in fire situation, obtain more favorable

conditions to the economy and security in metallic construction.

Keywords: critical temperature. Fire. Metallic construction.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14432: Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos das edificações. Procedimento. Rio de Janeiro, 2000.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14323: Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio. Procedimento. Rio de Janeiro, 1999.

Page 32: Estrutura Metálica Em Situação de Incêndio – Revisão

AZEVEDO, M. S. Determinação da temperatura em elementos estruturais de aço externos a edificações em situação de incêndio. Vitória: Centro Tecnológico, Universidade Federal do Espírito Santo, 2005.

ENGTERM ENGENHARIA LTDA: Proteção passiva contra incêndio. 2005. Disponível em: <http://www.engterm.com.br>. Acesso em: 30 maio. 2014.

FAKURY, R. H.; SILVA, V. P.; MARTINS, M. M. Temperatura crítica de elementos estruturais de aço em situação de incêndio. XXIX Jornadas Sudamericanas de Ingenieria Estructural. Montevidéo. 2000.

FERREIRA, W. G.; CORREIA, E. V. S; AZEVEDO, M. S. Dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio. Vitória: Grafer, 2006. 

PCF SOLUÇÕES: Proteção passiva contra fogo. 2006. Disponível em: <http://www.pcf.com.br>. Acesso em: 01 junho. 2014.

REFRASOL: Proteção contra fogo – Estruturas metálicas. 2005. Disponível em: <http://www.refrasol.com.br>. Acesso em: 01 junho. 2014.SILVA, Valdir Pignatta e. Estruturas de aço em situação de incêndio. São Paulo, SP: Zigurate, 2001. 249 p. ISBN 8585570040.

SOUZA JUNIOR, V. S. Simulação computacional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio. 2004. 150 f. Dissertação (Doutorado em Engenharia Civil) – Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 2004.