tcc - felipe gerônimo e gustavo muniz

FACULDADE BRASILEIRA - MULTIVIX

CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA CIVIL

FELIPE GERÔNIMO COCO

GUSTAVO MUNIZ FERNANDES

DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE

INCÊNDIO E ANÁLISE DAS PROTEÇÕES TÉRMICAS

VITÓRIA

2013





Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Civil apresentado à Faculdade MULTIVIX, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Msc. Elicarlos Vionet Scaramussa Correia.

VITÓRIA

2013





Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia apresentado à

Faculdade MULTIVIX, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em

Engenharia Civil

Aprovada em 12 de dezembro de 2013

COMISSÃO EXAMINADORA

Engenheiro Civil Msc. Elicarlos Vionet Scaramussa Correia Faculdade MULTIVIX Orientador

Engenheiro Civil Msc.Rodrigo Nóbrega Faculdade MULTIVIX Examinador

Engenheiro Civil Msc. Renato Fonseca Faculdade MULTIVIX Examinador

RESUMO

O consumo de aço no Brasil é considerado relativamente baixo em relação aos

países desenvolvidos, no entanto com o passar do tempo cada vez mais esse

material vem ganhando espaço no meio construtivo. Em paralelo à necessidade de

projetar e construir, os profissionais da engenharia e arquitetura devem ter o máximo

de cuidado no que diz respeito à segurança estrutural das edificações metálicas,

lembrando-se que o aço possui uma baixa resistência a temperaturas elevadas,

portanto é de extrema importância a sua verificação em situação de incêndio.

Para proteger a estrutura passivamente, evitando que a edificação entre em colapso

estrutural e os usuários sofram danos à saúde e ao bem material caso ocorra

sinistros relacionados à elevação de temperatura, pode-se adotar várias alternativas

diferentes para o sistema de proteção térmica. O trabalho em questão tem como

objetivo expor os métodos de dimensionamento de vigas metálicas em situação de

incêndio conforme as normas vigentes e avaliar os tipos de proteções mais

utilizadas, tanto no aspecto econômico, como no aspecto técnico, sendo elas a

argamassa projetada, tinta intumescente, placas de gesso acantonado, placas de lã

de rocha e manta fibrocerâmica.

Tomando como base a consulta em literaturas renomadas e normas pertinentes ao

assunto, foi realizado o dimensionamento citado acima através de planilhas elaboras

no Excel®, sendo realizado posteriormente o levantamento dos custos para a

aplicação dos diferentes tipos de proteção térmica sugeridas no trabalho. Depois de

realizado todo esse processo, verificou-se que a argamassa projetada foi a proteção

economicamente mais viável para o empreendimento hipotético analisado no

estudo, no entanto a diferença de custo entre esse tipo de material para a tinta

intumescente foi baixo, se comparado ao valor total da obra. Do exposto, conclui-se

que nem sempre a alternativa menos onerosa é a mais viável, devendo ser levado

em consideração também os aspectos técnicos, tais como, estética, facilidade de

aplicação, manutenção e limpeza na obra.

Palavras-chave: Incêndio. Proteção. Aço. Segurança Estrutural.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Fachada do Edifício Avenida Central – RJ ................................................. 12

Figura 2: Imagens do Edifício Joelma no instante do incêndio ocorrido 1974 ........... 13

Figura 3: Perfil em aço laminado de seção “I” ........................................................... 17

Figura 4: Vigas Alveolares......................................................................................... 18

Figura 5: Desenho esquemático Vigas Treliçadas .................................................... 18

Figura 6: Desenho esquemático Vigas Vierendeel .................................................... 19

Figura 7: Viga mista constituída de aço e madeira .................................................... 19

Figura 8: Ilustração esquemática – Diagramas de esforços de uma viga biapoiada . 20

Figura 9: Gráfico ilustrando as variáveis para o cálculo literal do momento de inércia

de uma peça qualquer ............................................................................................... 21

Figura 10: Nomenclatura das partes constituintes de um perfil “I” ............................ 22

Figura 11: Diagrama tensão-deformação do aço ...................................................... 24

Figura 12: Estrutura de uma ponte construída em aço patinável .............................. 28

Figura 13: Triângulo do fogo ..................................................................................... 29

Figura 14: Gráfico temperatura x tempo de um incêndio........................................... 30

Figura 15: Modelo do gráfico de incêndio padrão ..................................................... 31

Figura 16: Modelo do gráfico de incêndio natural ...................................................... 33

Figura 17: Desenho esquemático ilustrando os mecanismos de transferência de

calor........................................................................................................................... 39

Figura 18: Imagem de uma viga metálica após ocorrência de um incêndio .............. 43

Figura 19: Gráfico alongamento do aço x temperatura ............................................. 45

Figura 20: Gráfico calor específico x temperatura ..................................................... 46

Figura 21: Gráfico condutividade térmica x temperatura ........................................... 47

Figura 22: Gráfico temperatura x tempo para diferentes fatores de massividade ..... 48

Figura 23: Fator de massividade de um perfil mediante diferentes tipos de exposição

ao fogo ...................................................................................................................... 49

Figura 24: Gráfico temperatura x tempo para o TRRF .............................................. 49

Figura 25: Ilustração esquemática de perfis com proteção tipo contorno e tipo caixa

respectivamente ........................................................................................................ 53

Figura 26: Vermiculita em forma de flocos ................................................................ 54

Figura 27: Aplicação de argamassa projetada cimentitious em viga metálica........... 55

Figura 28: Aplicação de argamassa projetada a base de fibras minerais em viga

metálica ..................................................................................................................... 56

Figura 29: Estrutura de aço revestida por manta fibrocerâmica ................................ 58

Figura 30: Estrutura metálica revestida com placas de gesso acartonado................ 58

Figura 31: Estrutura metálica revestida com placas de lã de rocha constituindo

proteção do tipo caixão ............................................................................................. 59

Figura 32: Efeito da tinta intumescente mediante exposição ao fogo ....................... 60

Figura 33: Encamisamento de pilar de metálico com utilização de concreto armado

.................................................................................................................................. 61

Figura 34: Edifício com esquema de estrutura irrigada para proteção contra incêndio

.................................................................................................................................. 62

Figura 35: Ilustração da alma de um perfil “i” ............................................................ 73

Figura 36: Ilustração da mesa de um perfil “i” ........................................................... 74

Figura 37: Ilustração de uma viga metálica submetida à flambagem lateral por torção

(FLT).......................................................................................................................... 77

Figura 38: Ilustração de uma viga possuindo enrijecedores intermediários .............. 81

Figura 39: Gráfico de fatores de redução da resistência do aço ............................... 84

Figura 40: Laje pré-moldada de EPS (isopor) ........................................................... 97

Figura 41: Planta baixa pavimento tipo .................................................................... 99

Figura 42: Planta esquemática das vigas do projeto ............................................... 100

Figura 43: Planta esquemática - Faixa de influência das vigas ............................... 102

Figura 44: Ilustração esquemática mostrando como as vigas estarão expostas ao

fogo ......................................................................................................................... 110

Figura 45: Ilustração esquemática mostrando a parede como barreira para a viga 2

................................................................................................................................ 111

Figura 46: Histograma comparativo do valor das proteções térmicas com relação ao

tipo de aço (MR 250 ou AR 350) utilizado no projeto. ............................................. 126

Figura 47: Histograma comparativo do valor do aço (MR 250 ou AR 350) revestido

com proteção térmica. ............................................................................................. 127

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Classificação das edificações quanto ao tipo de uso e ocupação ............. 34

Tabela 2: Classificação das edificações quanto à altura ........................................... 38

Tabela 3: Classificação do risco das edificações quanto a carga de incêndio .......... 39

Tabela 4: Fatores de redução da resistência do aço ................................................. 83

Tabela 5: Características das proteções térmicas ..................................................... 94

Tabela 6: Características dos aços utilizados ........................................................... 95

Tabela 7: Planilha orçamentária de proteções térmicas para vigas em aço MR 250

................................................................................................................................ 114

Tabela 8: Planilha orçamentária de proteções térmicas, incluindo fornecimento e

instalação das vigas – aço MR 250 ......................................................................... 115

LISTA DE QUADROS

Quadro 1: Propriedades mecânicas mínimas dos aços mais utilizados em estruturas

.................................................................................................................................. 26

Quadro 2: Carga de incêndio nas edificações ........................................................... 38

Quadro 3: Método tabular para determinação do TRRF ........................................... 50

Quadro 4: Exemplo de Carta de cobertura para placa de gesso acartonado ............ 64

Quadro 5: Quadro com critérios de isenção para verificação estrutural em situação

de incêndio ................................................................................................................ 65

Quadro 6: Valores dos coeficientes de ponderação das ações ................................. 68

Quadro 7: Valores dos fatores de combinação e redução......................................... 68

Quadro 8: Valores máximos permitidos de deslocamento (flecha) ........................... 69

Quadro 9: Coeficiente para ações permanentes diretas consideradas

separadamente ......................................................................................................... 85

Quadro 10: Coeficiente para ações permanentes diretas agrupadas ................... 85

Quadro 11: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 1 para temperatura

ambiente.................................................................................................................. 103


ambiente.................................................................................................................. 104


ambiente.................................................................................................................. 105


ambiente.................................................................................................................. 106


ambiente.................................................................................................................. 107


ambiente.................................................................................................................. 108

Quadro 17: Resumo das vigas de aço utilizadas nos pavimentos tipo .................... 109

Quadro 18: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 1, 3 e 4 em situação de

incêndio ................................................................................................................... 112

Quadro 19: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 5 e 6 em situação de

incêndio ................................................................................................................... 112

Quadro 20: Quantitativo de áreas para proteções térmicas nas vigas .................... 113

Quadro 21: Planilha orçamentária para fornecimento e instalação das vigas

metálicas ................................................................................................................. 114

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................... 12

1.1 PROBLEMA .................................................................................................... 14

1.2 OBJETIVOS .................................................................................................... 15

1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................. 15

1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 15

1.3 JUSTIFICATIVA .............................................................................................. 15

2 VIGAS ............................................................................................................ 17

2.1 TIPOS DE VIGAS METÁLICAS ...................................................................... 17

2.2 FLEXÃO NAS VIGAS ..................................................................................... 19

2.3 PROPRIEDADES GEOMÉTRICAS DAS VIGAS ............................................ 20

3 AÇOS E SUAS PROPRIEDADES ................................................................. 23

3.1 PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS ............................................. 23

3.1.1 Diagrama tensão-deformação ................................................................... 23

3.1.2 Ductilidade .................................................................................................. 24

3.1.3 Fragilidade................................................................................................... 25

3.1.4 Resiliência ................................................................................................... 25

3.1.5 Tenacidade .................................................................................................. 25

3.1.6 Fadiga .......................................................................................................... 25

3.2 TIPOS DE AÇOS UTILIZADOS EM ESTRUTURAS ............................................. 26

3.2.1 Aços-Carbono ............................................................................................. 27

3.2.2 Aços de baixa liga ...................................................................................... 27

3.2.3 Aços patináveis .......................................................................................... 27

3.2.4 Aços com tratamento térmico ................................................................... 28

4 INCÊNDIO E MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ................ 29

4.1 FORMAÇÃO E EVOLUÇÃO DE UM INCÊNDIO ............................................ 29

4.2 INCÊNDIO PADRÃO ...................................................................................... 31

4.3 INCÊNDIO NATURAL..................................................................................... 32

4.4 CLASSIFICAÇÃO DO FOGO ......................................................................... 33

4.5 CLASSIFICAÇÃO DAS EDIFICAÇÕES .......................................................... 33

4.6 ALTURA DA EDIFICAÇÃO ............................................................................. 37

4.7 CARGA DE INCÊNDIO DOS EDIFÍCIOS ....................................................... 38

4.8 MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA CALOR ............................................. 39

4.8.1 Condução .................................................................................................... 39

4.8.2 Convecção................................................................................................... 40

4.8.3 Radiação ...................................................................................................... 40

4.9 MEDIDAS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO ................................................ 40

5 COMPORTAMENTO DO AÇO EM SITUAÇÃO DE INCÊNCIO .................... 42

5.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DO AÇO MEDIANTE AO

FOGO ........................................................................................................................ 43

5.1.1 Resistência ao escoamento e módulo de elasticidade ........................... 43

5.1.2 Massa específica ........................................................................................ 43

5.1.3 Alongamento ............................................................................................... 44

5.1.4 Calor específico .......................................................................................... 45

5.1.5 Condutividade térmica ............................................................................... 46

5.2 FATOR DE MASSIVIDADE OU FORMA ........................................................ 47

5.3 TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRRF) ....................... 49

5.4 DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA NO AÇO EXPOSTO AO FOGO SEM

PROTEÇÃO TÉRMICA ............................................................................................. 51

5.5 PROTEÇÕES TÉRMICAS PARA VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE

INCÊNDIO ................................................................................................................. 52

5.5.1 Argamassa projetada à base de vermiculita ............................................ 53

5.5.2 Argamassa projetada cimentícia (cimentitious) ...................................... 54

5.5.3 Argamassa projetada à base de fibra mineral .......................................... 55

5.5.4 Mantas ......................................................................................................... 57

5.5.5 Placas rígidas .............................................................................................. 58

5.5.6 Pintura intumescente ................................................................................. 59

5.5.7 Encamisamento com concreto armado ou concreto celular .................. 60

5.5.8 Estruturas irrigadas .................................................................................... 61

5.5.9 Aumento da seção do perfil ....................................................................... 62

5.6 DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA NO AÇO EXPOSTO A ALTAS

TEMPERATURAS COM PROTEÇÃO TÉRMICA...................................................... 62

5.7 CARTA DE COBERTURA DOS MATERIAIS DE PROTEÇÃO TÉRMICA ....... 64

5.8 CRITÉRIOS DE ISENÇÃO DE VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL EM SITUAÇÃO

DE INCÊNDIO ........................................................................................................... 65

5.9 REUTILIZAÇÃO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS APÓS O INCÊNDIO ... 65

6 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE EM AÇO EM TEMPERATURA

AMBIENTE NBR 8800 (2008) ................................................................................... 66

6.1 COMBINAÇÃO DE AÇÕES E ESFORÇOS SOLICITANTES ......................... 66

6.1.1 Combinações últimas normais .................................................................. 67

6.1.2 Combinações para os estados limites de utilização ............................... 69

6.2 PRÉ-DIMENSIONAMENTO DO PERFIL ............................................................. 71

6.3 DETERMINAÇÃO DO MOMENTO FLETOR RESISTENTE .......................... 71

6.3.1 Verificação da esbeltez .............................................................................. 72

6.3.2 Flambagem local da alma (FLA) ................................................................ 72

6.3.3 Flambagem local da mesa (FLM) ............................................................... 74

6.3.4 Flambagem lateral por torção (FLT) .......................................................... 76

6.3.5 Limite do momento resistente ................................................................... 79

6.4 DETERMINAÇÃO DO ESFORÇO CORTANTE RESISTENTE ...................... 79

7 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

SEM UTILIZAÇÃO DE PROTEÇÃO TÉRMICA NBR 14323 (2003) ........................ 82

7.1 FATOR DE MASSIVIDADE ............................................................................ 82

7.2 TEMPERATURA ATINGIDA PELO PERFIL DE AÇO DURANTE O INCÊNDIO

........................................................................................................................ 82

7.3 FATORES DE REDUÇÃO DO LIMITE DE ESCOAMENTO E MÓDULO DE

ELASTICIDADE ........................................................................................................ 82

7.4 COMBINAÇÕES DE AÇÕES PARA O ESTADO LIMITE ÚLTIMO ................ 84

7.5 VERIFICAÇÃO QUANTO AO MOMENTO FLETOR PARA OS ESTADOS

LIMITES ÚLTIMOS ................................................................................................... 86

7.5.1 Parâmetros considerados nos cálculos ................................................... 86

7.5.2 Flambagem local da mesa (FLM) e Flambagem local da alma (FLA) ..... 87

7.6 VERIFICAÇÃO QUANTO AO ESFORÇO CORTANTE PARA OS ESTADOS

LIMITES ÚLTIMOS ................................................................................................... 88

8 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

COM UTILIZAÇÃO DE PROTEÇÃO TÉRMICA NBR 14323 (2003) ........................ 90

9 METODOLOGIA............................................................................................. 91

9.1 TIPOS DE PESQUISA .................................................................................... 91

9.2 PROCEDIMENTOS TÉCNICOS ..................................................................... 92

9.3 UNIVERSO E AMOSTRA ............................................................................... 92

9.4 COLETA DE DADOS ...................................................................................... 93

10 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS COLETADOS ....................... 94

10.1 INTRODUÇÃO AO PROJETO ........................................................................ 94

10.2 RESTRIÇÕES DE PROJETO ......................................................................... 96

10.3 CARREGAMENTOS UTILIZADOS NO DIMENSIONAMENTO ...................... 97

10.4 PROJETO ARQUITETÔNICO ........................................................................ 99

10.5 DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS SEGUNDO NBR 8800 (2008) .............. 100

10.5.1 Viga 1 ......................................................................................................... 102

10.5.2 Viga 2 ......................................................................................................... 103

10.5.3 Viga 3 ......................................................................................................... 104

10.5.4 Viga 4 ......................................................................................................... 105

10.5.5 Viga 5 ......................................................................................................... 106

10.5.6 Viga 6 ......................................................................................................... 107

10.5.7 Padronização das vigas ........................................................................... 108

10.6 DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS SEGUNDO NBR 14323 (2003) ............ 109

10.7 LEVANTAMENTO DOS CUSTOS ................................................................ 113

11 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 116

12 REFERÊNCIAS ............................................................................................ 120

APÊNDICE....................................................................................................125

APÊNDICE A.................................................................................................126

APÊNDICE B.................................................................................................127

12

1 INTRODUÇÃO

O uso das estruturas metálicas na construção civil tem aumentado cada vez mais

com o passar dos anos, devido à praticidade e rapidez de execução das obras, visto

que o prazo é um dos maiores problemas no que diz respeito a serviços de

engenharia e construção. Aliado à rapidez de execução as estruturas metálicas

também proporcionam grande flexibilidade na arquitetura e nos métodos

construtivos, podendo vencer grandes vãos com peças mais esbeltas que estruturas

de concreto ou madeiras, além de reduzir as cargas nas fundações. Como exemplo

de grandes obras executadas em estruturas metálicas no Brasil podemos citar o

Edifício Avenida Central (figura 1), localizado no Rio de Janeiro, construído no ano

de 1961, conforme ilustrado por Dias (1999).

-

Figura 1: Fachada do Edifício Avenida Central – RJ

Fonte: Dias, 1999, p. 21

Apesar das edificações em estruturas metálicas apresentarem grandes vantagens

com relação à estética e flexibilidade na arquitetura, o aço utilizado nas peças

estruturais apresenta uma considerável perda de resistência mediante a situação de

elevação de temperatura. Do exposto, surge a necessidade de proteger a estrutura

para que em situação de incêndio e pânico o empreendimento não venha a ruir ou

apresentar grandes danos ao patrimônio, além de proporcionar tempo hábil para

13

evacuação dos usuários da edificação. Segundo Silva, Vargas, Ono (2010) mediante

estatísticas internacionais, a cada dez minutos uma vida humana é perdida devida a

ocorrência de incêndios, no qual o principal motivo dessas mortes é a fumaça

gerada nos primeiros momentos do sinistro. No Brasil, um dos acidentes mais

catastróficos relacionado a incêndio aconteceu em fevereiro de 1974 no Edifício

Joelma, localizado na cidade de São Paulo, no qual deixou 188 mortos e 345

feridos. A figura 2 abaixo mostra a fachada do Edifício Joelma no instante do

acidente.

Figura 2: Imagens do Edifício Joelma no instante do incêndio ocorrido 1974

Fonte: Screentvoficial, 2013

Além do Edifício Joelma, vários outros empreendimentos importantes passaram pela

ocorrência de incêndio deixando grandes prejuízos no que diz respeito ao bem

material e a vida humana, como o Edifício Andraus e o Edifício Grande Avenida,

ambos localizados em São Paulo, totalizando 33 mortes ao todo. Até o ano de 1987

no país, ainda não se tinha normas rigorosas com relação à proteção estrutural

contra incêndio nas edificações. No entanto segundo Ferreira, Correia, Azevedo

(2006) a partir desse período houve um avanço significativo na elaboração e

aplicação de normas de segurança contra fogo no país, porém apenas em 1999 a

ABNT colocou em vigor a NBR 14323 – Dimensionamento de estruturas de aço em

situação de incêndio, fazendo com que a concepção dos projetos passasse a

incorporar medidas de proteções passivas em seu sistema estrutural, garantindo a

integridade da edificação em situação de temperaturas elevadas.

14

Diante da necessidade de expandir o conhecimento nessa área que ainda carece de

bibliografias e informações, o presente trabalho trás consigo a proposta de

dimensionar as vigas metálicas de um edifício de quatro pavimentos em situação de

elevação de temperatura, e avaliar os tipos de proteções mais usuais disponíveis no

mercado, expondo tanto aspectos técnicos quanto financeiros.

O trabalho foi dividido em três etapas, sendo elas, o referencial teórico que consiste

na pesquisa bibliográfica junta a livros, artigos, normas e sites, na apresentação e

análise dos dados coletados, que expõe as informações geradas no

dimensionamento, bem como os tipos de proteções utilizadas e os custos que

envolvem a execução do sistema, e por fim as considerações finais, que tem como

objetivo comparar as informações adquiridas no decorrer do estudo e opinar no que

diz respeito aos resultados alcançados, sugerindo melhorias para estudos futuros e

visando ampliar o campo de visão dos profissionais de engenharia no que tange ao

dimensionamento de estruturas metálicas em situação de incêndio.

1.1 PROBLEMA

Devido a grande utilização de estruturas metálicas na construção de edifícios, sejam

eles comerciais, residenciais ou de ocupação mista, surge a necessidade de

proteção ao patrimônio e a vida dos usuários da edificação em situação de incêndio

e pânico, fato que deve ser observado na execução do projeto e no

dimensionamento da estrutura, visto que existem normas pertinentes ao assunto e

vários meios de tecnologia que possibilitam a proteção dos elementos estruturais

expostos ao fogo. Ficando a cargo de o projetista realizar o correto

dimensionamento da estrutura e avaliar qual proteção será mais vantajosa para o

empreendimento, tendo em vista o custo do sistema e os aspectos técnicos

referentes à aplicação, estética e manutenção.

15

Neste contexto o presente estudo se propõe a responder a seguinte questão

problema: Como dimensionar vigas de aço em situação de incêndio e fazer a

escolha do melhor tipo de proteção térmica a ser utilizada?

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Dimensionar as vigas metálicas de um edifício residencial de quatro pavimentos em

situação de incêndio e fazer uma análise técnica e econômica quanto aos diferentes

tipos de proteções térmicas utilizadas.

1.2.2 Objetivos Específicos

conceituar vigas de aço e suas respectivas propriedades;

apresentar conceitos gerais sobre incêndio e mecanismo de transferência de

calor;

avaliar o comportamento do aço mediante exposição ao fogo;

expor procedimentos de dimensionamento de vigas de aço em situação de

incêndio mediante as normas técnicas e literaturas consultadas;

Apresentar os tipos de materiais para proteção térmica e avaliar os seus

respectivos custos.

1.3 JUSTIFICATIVA

A construção civil está cada vez mais demandada por tecnologia e rapidez na

execução das obras, com isso as construções em estruturas metálicas têm

conquistado um amplo espaço no meio construtivo.

16

Em paralelo com a concepção do método construtivo o projetista precisa se atentar

para os requisitos de segurança das estruturas e os riscos que a mesma poderá

oferecer aos usuários caso ocorra uma situação de pânico e incêndio, pois em

princípio de colapso estrutural devido ao incêndio, a edificação deverá propor um

tempo mínimo suficiente para evacuação dos usuários e a preservação total ou

parcial do patrimônio.

A proteção das estruturas metálicas em situação de incêndio é um assunto amplo e

de extrema importância na área de engenharia civil, porém carece de bibliografias e

estudos voltados para esse tema. O principal motivo que levou à realização deste

trabalho foi o interesse em conhecer e divulgar o assunto, visto que não foi um tema

abordado no curso de graduação e que deve ser observado pelos profissionais que

atuam na área de projetos estruturais.

17

2 VIGAS

As vigas são elementos de extrema importância em um sistema estrutural, podendo

fazer parte de complexas estruturas ou até simples pórticos planos. Segundo Dias

(1997) estão sujeitas basicamente à flexão e são empregadas para vencer vãos

horizontais, trabalham transferindo cargas que geralmente são verticais para os

apoios através de um caminhamento horizontal. Para Hibbeler (2010) as vigas são

elementos delgados que suportam carregamentos aplicados perpendicularmente em

seu eixo longitudinal.

2.1 TIPOS DE VIGAS METÁLICAS

Na área de estruturas existem diversos tipos de vigas metálicas, e cada viga deve

ser concebida de acordo com o projeto a ser implantado e a função a ser exercida.

As vigas podem ser de alma cheia, alveolares, treliçadas, vierendeel e mistas.

As vigas de alma cheia são perfis em formato de “I” em que as massas são

concentradas em duas chapas horizontais, sendo uma superior e outra inferior,

ligadas perpendicularmente por uma chapa delgada. Na distribuição das cargas

absorvidas pela viga, as mesas ficam responsáveis pelos esforços de momento

fletor e a alma pelos esforços de força cortante. Do exposto necessita-se que as

mesas sejam mais espessas que a alma, conforme ilustra a figura 3.

Figura 3: Perfil em aço laminado de seção “I”

Fonte: Specialtb, 2013

18

As vigas alveolares conforme ilustrada na figura 4,são peças no formato de “I”, no

qual é feito um corte longitudinal no eixo da alma do perfil juntamente com a

abertura de orifícios neste mesmo plano, estas partes separadas são soldadas

posteriormente com um deslocamento de forma que exista vazios na alma da viga.

Com esse método de fabricação a seção transversal da viga terá uma altura

significativamente maior que o formato original, com a mesma massa inicial, tendo

uma melhor inércia e uma redução no peso.

Figura 4: Vigas Alveolares

Fonte: Archiexpo, 2013

As vigas treliçadas são estruturas constituídas por barras localizadas no mesmo

plano geométrico submetidas a cargas nodais (esforços transferidos para os nós)

conectadas via ligações soldadas ou parafusadas. A figura 5 abaixo ilustra um

desenho esquemático de uma viga treliçada.

Figura 5: Desenho esquemático Vigas Treliçadas

Fonte: Dados primários, 2013

As vigas Vierendeel conforme ilustrado na figura 6,são compostas de barras

resistentes na forma de quadros, unidas entre si por meio de ligações rígidas, e

devem resistir aos esforços em que a viga será submetida. Em função da

característica dos seus vínculos, essas vigas são mais deformáveis que as treliças

planas. DIAS (1997).

19

Figura 6: Desenho esquemático Vigas Vierendeel


Existem ainda as vigas mistas, que segundo Hibbeler (2010) são vigas construídas

com dois ou mais materiais diferentes, como madeira e concreto. A figura 7 abaixo

ilustra um exemplo de viga mista composta de aço e madeira.

Figura 7: Viga mista constituída de aço e madeira

Fonte: C3equipamentos, 2013

2.2 FLEXÃO NAS VIGAS

As vigas submetidas a carregamentos transversais sofrem tensões internas

provocando deformações ao longo de seu eixo longitudinal. Portanto para o correto

dimensionamento da viga é necessário fazer a classificação da flexão segundo os

esforços a que a peça estará submetida. As flexões nas vigas são classificadas em

flexão pura ou simples.

Na ocorrência da flexão pura tem-se atuando na viga apenas o momento fletor, já na

flexão simples existe na viga a atuação de esforços de momento fletor e força

cortante. PINHEIRO (2005).

Devido à flexão em que as vigas estão submetidas, surge uma deformação na peça

estrutural, que na prática é chamada de flecha. Segundo Botelho (1998) as peças

20

podem apresentar grandes deformações, a forma deformada da viga é chamada

linha elástica deformada.

A limitação de flechas provocadas pelas cargas permanentes tem a finalidade de evitar deformações pouco estéticas. As flechas permanentes exageradas (vulgarmente chamadas barriga) produzem uma sensação intuitiva de insegurança. (PFEIL, 1995, p.152)

A figura 8 ilustra abaixo uma viga biapoiada resistindo a esforços de cisalhamento e

momento fletor. O trecho compreendido entre a extremidade e a força P está

submetido à flexão simples, pois há existência de força cortante e momento fletor, e

o trecho entre as forças concentradas, está submetido à flexão pura, devido ao fato

de existir nesse trecho, apenas momento fletor.

Figura 8: Ilustração esquemática – Diagramas de esforços de uma viga biapoiada


2.3 PROPRIEDADES GEOMÉTRICAS DAS VIGAS

Para o correto dimensionamento das vigas metálicas, existem quatro propriedades

geométricas da peça estrutural que são imprescindíveis para os cálculos, sendo

21

estes o momento de inércia (I), raio de giração (r), módulo resistente a flexão (W) e

módulo de resistência plástico (Z).

Segundo Halliday (2008), momento de inércia (I) é a forma como a massa de um

corpo está distribuída em relação ao eixo de rotação. O valor do momento de inércia

é obtido pelo produto de um elemento de área pelo quadrado de sua distância a um

eixo considerado.

Figura 9: Gráfico ilustrando as variáveis para o cálculo literal do momento de inércia de uma peça qualquer


O cálculo do momento de inércia em relação ao eixo “x” é dado pela integral da

equação 1, e em relação ao eixo “y”, a integral da equação 2.

∫

∫

O raio de giração (r) Segundo Botelho (1998) tem uma característica linear, sendo

obtido pelo resultado da raiz quadrada da razão entre o momento de inércia e a área

da seção.

√

22

Segundo Pinheiro (2005), o módulo resistente a flexão (W) é a razão entre o

momento de inércia e a distância do centro de gravidade até a extremidade superior

ou inferior da seção da peça.

O módulo de resistência plástico (Z) é uma das propriedades geométricas mais

importantes das vigas, sendo fundamental para o cálculo do momento de

plastificação do perfil.

∫

Para o calculo do módulo de resistência plástico em perfis “I”, o valor pode ser obtido

através da tabela do fabricante ou pela equação 6.

( )

( )

A figura 10 ilustra a nomenclatura de cada parte que compõe um perfil “I”.

Figura 10: Nomenclatura das partes constituintes de um perfil “I”


23

3 AÇOS E SUAS PROPRIEDADES

3.1 PROPRIEDADES DOS AÇOS ESTRUTURAIS

Na área da engenharia é muito comum a utilização do aço como peças estruturais, e

os fatores mais importantes considerados no dimensionamento são a resistência

mecânica e a durabilidade do material. “Os aços estruturais são fabricados conforme

as características mecânicas e/ou químicas, desejáveis no produto final.”

(PINHEIRO, 2005, p.06).

3.1.1 Diagrama tensão-deformação

As barras de aço submetidas a esforços de tração estão sujeitas a um alongamento

na direção de seu comprimento, onde o monitoramento das tensões aplicadas e das

deformações verificadas neste material podem ser expressas pelo diagrama tensão-

deformação. A deformação durante o ensaio é medida com o auxílio de um aparelho

acoplado a máquina, chamado extensômetro.

Uma das fases do ensaio é a fase elástica, no qual o material obedece a Lei de

Hooke, onde para certos valores de tensão o material obedece a um comportamento

linear, tendo sua deformação proporcional à tensão aplicada. A elasticidade é a

propriedade que o material tem de voltar ao seu estado inicial após vários ciclos de

carga e descarga. A constante de proporcionalidade desde trecho retilíneo do gráfico

é denominada módulo de elasticidade. DIAS (1997).

Segundo Hibbeler (2010) um pequeno aumento de tensão acima do limite de

elasticidade fará com que a peça sofra deformações permanentes. A tensão que

provoca este comportamento é chamada tensão de escoamento, e nessa fase o

material sofre deformações plásticas, não retornando ao seu estado inicial.

24

Segundo Dias (1997) após o escoamento, ainda na fase plástica o material entra em

uma fase chamada encruamento, em que há novamente a variação de tensão com a

deformação, porém de forma não linear. O máximo valor de tensão antes da ruptura

é chamado limite de resistência do aço.

A tensão de escoamento e a tensão última são as propriedades mais importantes do

aço no que diz respeito ao cálculo de estruturas, pois se deve impedir que o aço

atinja essas tensões, de forma a limitar as deformações da peça, ajudando a

prevenir o colapso estrutural.

Figura 11:Diagrama tensão-deformação do aço

Fonte: Cesec, 2013

3.1.2 Ductilidade

Ductilidade é a capacidade dos materiais de se deformar plasticamente antes da

ruptura. As vigas de aço dúcteis sofrem grandes deformações antes de se

romperem, sendo na prática um aviso da presença de tensões elevadas na

estrutura. DIAS (1997).

25

3.1.3 Fragilidade

“É o oposto da ductilidade. Os aços podem ser tomados frágeis pela ação de

diversos agentes: baixas temperaturas, efeitos térmicos locais causados, por

exemplo, por solda elétrica etc.” (PFEIL, 1995, p.07).

Segundo Dias (1997) um material frágil como o ferro fundido, por exemplo, não se

deforma plasticamente antes da ruptura, diz-se então que o material possui ruptura

brusca, abrupta.

3.1.4 Resiliência

“É a capacidade do material de absorver energia mecânica em regime elástico.”

(PINHEIRO, 2005, p.10).

3.1.5 Tenacidade

Tenacidade é a capacidade de o material absorver energia mecânica quando

submetidos a cargas de impacto. DIAS (1997).

Segundo Pfeil (1995) a tenacidade é medida pela área total abaixo da curva do

diagrama de tensão-deformação no ensaio de tração simples, (dada em J/m³ -

Joules por metro cúbico).

3.1.6 Fadiga

A fadiga de um material é verificada quando a peça está submetida ao efeito de

esforços repetitivos em grande número, podendo haver ruptura do material sob

26

tensões inferiores as obtidas no ensaio de tensão-deformação, no qual se utiliza

carregamento estático.

No dimensionamento de estruturas sob efeito dinâmico é imprescindível a

verificação à fadiga, tais como pontes e peças de máquinas por exemplo. DIAS

(1997).

3.2 TIPOS DE AÇOS UTILIZADOS EM ESTRUTURAS

Segundo Dias (1997) a composição química na fabricação do aço influência

diretamente na resistência do material para aplicações estruturais. Sendo o aço uma

liga metálica composta pela mistura do ferro com demais elementos, podem-se obter

aços de vários tipos. Os aços utilizados na área de estruturas são divididos em dois

grupos: aços-carbono e aços de baixa liga. O quadro 1abaixo mostra alguns aços

utilizados em estruturas e suas respectivas nomenclaturas especificadas por normas

técnicas. Os perfis de seção “I” utilizados em sistemas estruturais podem ser do tipo

soldado ou do tipo laminado, sendo que no presente trabalho as vigas serão

dimensionadas utilizando perfis laminados.

Quadro 1: Propriedades mecânicas mínimas dos aços mais utilizados em estruturas

Fonte: Belley, 2008, p. 45

27

3.2.1 Aços-Carbono

Segundo Pfeil (1995), os aços-carbono são os tipos mais utilizados. Em função do

teor de carbono, distinguem-se em quatro categorias:

I) Baixo carbono (C < 0,15%)

II) Moderado (0,15% < C < 0,29%)

III) Médio carbono (0,30% < C < 0,59%)

IV) Alto carbono (0,60% < C < 1,70%)

O aumento do teor de carbono constitui a maneira mais econômica para obtenção da resistência mecânica nos aços, atuando primordialmente no limite de resistência. Por outro lado, prejudica sensivelmente a ductilidade (em especial o dobramento) e a tenacidade. (DIAS, 2007, p.76)

3.2.2 Aços de baixa liga

Segundo Pfeil (1995) os aços de baixa liga são aços-carbono em que para melhorar

sua resistência são adicionados elementos de liga em sua composição (cromo,

cobre, manganês, molibdênio, níquel, fósforo, vanádio, zircônio). Através da adição

desses elementos de liga ocorre a modificação da microestrutura em grãos finos,

podendo aumentar consideravelmente a resistência mecânica e a soldabilidade do

aço.

3.2.3 Aços patináveis

Segundo Pfeil (1995) os aços patináveis caracterizam-se por oferecer maior

resistência à corrosão atmosférica e resistência mecânica adequada. No processo

de fabricação desse tipo de aço são adicionados elementos de liga, como o cobre,

níquel e cromo, criando uma espécie de barreira à corrosão do aço. Quando exposto

a atmosferas agressivas, nos aços patináveis cria-se uma camada protetora de

28

óxido que impede o desenvolvimento do processo corrosivo, podendo ser utilizado

sem qualquer revestimento. DIAS (1997).

Figura 12: Estrutura de uma ponte construída em aço patinável

Fonte: Cbca, 2013

3.2.4 Aços com tratamento térmico

Os aços-carbono e os aços de baixa liga podem ter sua resistência mecânica

aumentada através do tratamento térmico, porém, tornam-se aços com maiores

dificuldades para soldagem, o que os tornam pouco usuais em estruturas. PFEIL

(1995).

29

4 INCÊNDIO E MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

4.1 FORMAÇÃO E EVOLUÇÃO DE UM INCÊNDIO

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) os incêndios são fenômenos aleatórios e

representam uma situação única, sendo que para sua ocorrência e respectivo

aumento da temperatura são necessários basicamente três elementos: material

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

térmica).

O incêndio só ocorrerá com a presença desses três elementos, os quais podem ser

associados em um triângulo chamado de triângulo do fogo. Durante um incêndio

deve-se afastar ou eliminar um desses três elementos.

Figura 13: Triângulo do fogo

Fonte: Areaseg, 2013

O combustível é o material oxidável que reagirá com o comburente numa reação de

combustão, por exemplo: madeira, solventes, polímeros. Já o comburente é o

material gasoso, por exemplo o oxigênio.

A energia térmica é a fonte de ignição, ou seja, o agente que dará o início do

processo de combustão, por exemplo: chamas, superfícies aquecidas, fagulhas,

centelhas e raios.

30

O desenvolvimento do incêndio é representado na curva que fornece a temperatura

dos gases em função do tempo de incêndio. Através dessa curva consegue-se

calcular a temperatura máxima atingida pelas peças estruturais e a sua respectiva

resistência em situação de elevação de temperatura.

Figura 14: Gráfico temperatura x tempo de um incêndio

Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.146

O período inicial do incêndio é caracterizado por um potencial de aquecimento do

combustível que está tomando conta do ambiente.

A ignição é o início da combustão do incêndio, marcando a transição para o período

de crescimento, como ilustrado no inicio do gráfico da figura 14.

O período de pré-flashover é onde o incêndio se espalha lentamente na superfície

do combustível, marcado pelas temperaturas médias (250ºC e 350ºC) e grande

produção de fumaça.

O flashover é caracterizado pelo ponto de transição para o período de combustão

mais forte, onde ocorre um aumento significativo na temperatura, ou seja, alta

inclinação do gráfico de curva temperatura-tempo de um incêndio, como ilustrado na

figura 14.

O período de combustão generalizada, que na curva do gráfico da figura 14

corresponde à fase entre o flashover e o pós-flashover ocorre quando a radiação

atinge a faixa de 20 kW/m², gerando a ignição espontânea dos materiais

31

combustíveis e o rápido desenvolvimento do incêndio que passa de superficial para

volumétrico. Vale frisar que nesse período as temperaturas são muito elevadas.

Após a fase de combustão generalizada, que na curva do gráfico da figura 14

corresponde ao trecho de decaimento, é o período onde ocorre a redução da

temperatura até a extinção total do incêndio, pois com o passar do tempo as chamas

vão consumindo todo o material combustível.

4.2 INCÊNDIO PADRÃO

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) havendo a necessidade de verificar um

elemento estrutural de aço em situação de incêndio, é necessário a utilização de um

modelo de incêndio através de curvas temperatura-tempo. Devido a grande

variabilidade dos parâmetros que influenciam no incêndio, nem sempre é possível

através das curvas temperatura-tempo determinar as características desse

fenômeno.

No início do século XX nos Estados Unidos foram realizados os primeiros ensaios de

resistência ao fogo de elementos estruturais, chegando-se a uma curva temperatura-

tempo característica conhecida como incêndio padrão. Adota-se a curva de

incêndio-padrão como modelo para análise experimental de estruturas, de materiais

de proteção térmica, de portas corta-fogo, etc.

Figura 15: Modelo do gráfico de incêndio padrão

Fonte: Vargas; Silva, 2003, p.16

32

Segundo a NBR 14432 (2000), incêndio-padrão é a elevação padronizada de

temperatura em função do tempo, onde o valor da temperatura dos gases no

instante é dado pela equação 7.

Sendo:

: tempo expresso em minutos

: temperatura do ambiente antes do inicio do aquecimento, em graus Celsius,

geralmente tomada igual a 20ºC.

4.3 INCÊNDIO NATURAL

Segundo Silva (2001) o incêndio em que se admite que a temperatura dos gases

respeite as curvas temperatura-tempo naturais, construídas a partir de ensaios ou

modelos matemáticos aferidos a ensaios de incêndios que simulam a real situação

de um compartimento em chamas, é denominado incêndio natural. Os ensaios

acontecem em compartimentos com aberturas (janelas), nos quais o incêndio ocorre

sem a capacidade de propagação para fora dos mesmos, devido às características

do compartimento como estanqueidade, isolamento térmico e de resistência dos

elementos de vedação.

Com os resultados desses ensaios consegue-se demonstrar que as curvas

temperatura-tempo de um incêndio natural compartimentado dependem do grau de

ventilação, carga de incêndio e características térmicas do material componente da

vedação.

A principal característica dessas curvas, e que as distinguem da curva-padrão, é a de possuírem um ramo ascendente (fase de aquecimento) e um ramo descendente (fase de resfriamento), admitindo portanto, racionalmente, que os gases que envolvem o fogo não têm sua temperatura crescente com o tempo. (SILVA, 2001, p.35)

33

Figura 16: Modelo do gráfico de incêndio natural


4.4 CLASSIFICAÇÃO DO FOGO

Segundo a NBR 12693 (2010) a classificação didática para as diferentes naturezas

de fogos em função do material combustível, segue a seguinte sequência:

Fogo classe A:fogo envolvendo materiais combustíveis sólidos, tais como madeiras, tecidos, papéis, borrachas, plásticos termoestáveis e outras fibras orgânicas, que queimam em superfície e profundidade, deixando resíduos; Fogo classe B:fogo envolvendo líquidos e/ou gases inflamáveis ou combustíveis, plásticos e graxas que se liquefazem por ação do calor e queimam somente em superfície; Fogo classe C: fogo envolvendo equipamentos e instalações elétricas energizados. (NBR 12693, 1993, p.2)

4.5 CLASSIFICAÇÃO DAS EDIFICAÇÕES

Segundo o Decreto 2423-R do CBMES (Corpo de Bombeiros Militar do Espírito

Santo) as edificações são classificadas de acordo com seu tipo de uso e ocupação,

conforme a tabela 1.

34

Tabela 1: Classificação das edificações quanto ao tipo de uso e ocupação

Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos

A Residencial

A-1 Habitação unifamiliar Casas térreas ou assobradadas (isoladas e

não isoladas) e condomínios horizontais

A-2 Habitação

multifamiliar Edifícios de apartamento em geral

A-3 Habitação coletiva Pensionatos, internatos, alojamentos,

mosteiros, conventos, residências geriátricas. Capacidade máxima de 16 leitos

B Serviço de

Hospedagem

B-1 Hotel e

assemelhado

Hotéis, motéis, pensões, hospedarias, pousadas, albergues, casas de cômodos,

divisão A-3 com mais de 16 leitos

B-2 Hotel residencial Hotéis e assemelhados com cozinha própria nos apartamentos (incluem-se apart-hotéis,

flats, hotéis residenciais)

C Comercial

C-1 Comércio com baixa

carga de incêndio Artigos de metal, louças, artigos hospitalares

e outros

C-2

Comércio com média e alta carga

de incêndio

Edifícios de lojas de departamentos, magazines, armarinhos, galerias comerciais, supermercados em geral, mercados e outros

C-3 Shopping centers Centro de compras em geral (shopping

centers)

D Serviço

profissional

D-1

Local para prestação de

serviço profissional ou condução de

negócios

Escritórios administrativos ou técnicos, instituições financeiras (que não estejam incluídas em D-2), repartições públicas,

cabeleireiros, centros profissionais e assemelhados

D-2 Agência bancária Agências bancárias e assemelhados

D-3

Serviço de

reparação (exceto os classificados em

G-4)

Lavanderias, assistência técnica, reparação e manutenção de aparelhos

eletrodomésticos, chaveiros, pintura de letreiros e outros

D-4 Laboratório Laboratórios de análises clínicas sem

internação, laboratórios químicos, fotográficos e assemelhados

35


E Educacional e cultura física

E-1 Escola em geral Escolas de primeiro, segundo e terceiro graus,

cursos supletivos e pré-universitário e assemelhados

E-2 Escola especial Escolas de artes e artesanato, de línguas, de cultura geral, de cultura estrangeira, escolas

religiosas e assemelhados

E-3 Espaço para cultura

física

Locais de ensino e/ou práticas de artes marciais, natação, ginástica (artística, dança, musculação e outros) esportes coletivos (tênis, futebol e outros que não estejam incluídos em F-3), sauna, casas

de fisioterapia e assemelhados. Sem arquibancadas.

E-4 Centro de treinamento

profissional Escolas profissionais em geral

E-5 Pré-escola Creches, escolas maternais, jardins de infância

E-6 Escola para

portadores de deficiências

Escolas para excepcionais, deficientes visuais e auditivos e assemelhados

F Local de Reunião

de Público

F-1 Local onde há objeto de valor inestimável

Museus, centro de documentos históricos, galerias de arte, bibliotecas e assemelhados

F-2 Local religioso e

velório

Igrejas, capelas, sinagogas, mesquitas, templos, cemitérios, crematórios, necrotérios, salas de

funerais e assemelhados

F-3 Centro esportivo e de

exibição

Arenas em geral, estádios, ginásios, piscinas, rodeios, autódromos, sambódromos, pista de

patinação e assemelhados. Todos com arquibancadas

F-4 Estação e terminal de

passageiro

Estações rodoferroviárias e marítimas, portos, metrô, aeroportos, heliponto, estações de

transbordo em geral e assemelhados

F-5 Arte cênica e auditório Teatros em geral, cinemas, óperas, auditórios de

estúdios de rádio e televisão, auditórios em geral e assemelhados

F-6 Clubes sociais e

diversão

Boates, clubes em geral, salões de baile, restaurantes dançantes, clubes sociais, bingo, bilhares, tiro ao alvo, boliche e assemelhados

F-7 Construção provisória Circos e assemelhados

F-8 Local para refeição Restaurantes, lanchonetes, bares, cafés,

refeitórios, cantinas e assemelhados

F-9 Recreação pública Jardim zoológico, parques recreativos e

assemelhados

F-10 Exposição de objetos

ou animais Salões e salas para exposição de objetos ou

animais. Edificações permanentes

36


G

Serviço automotivo

e assemelhados

G-1 Garagem sem acesso de

público e sem abastecimento

Garagens automáticas, garagens com manobristas

G-2

Garagem com acesso de

público e sem abastecimento

Garagens coletivas sem automação, em geral, sem abastecimento (exceto veículos de carga e

coletivos)

G-3 Local dotado de

abastecimento de combustível

Postos de abastecimento e serviço, garagens (exceto veículos de carga e coletivos)

G-4 Serviço de conservação, manutenção e reparos

Oficinas de conserto de veículos, borracharia (sem recauchutagem). Oficinas e garagens de

veículos de carga e coletivos, máquinas agrícolas e rodoviárias, retificadoras de

motores

G-5 Hangares Abrigos para aeronaves com ou sem

abastecimento

H Serviço de saúde

e institucional

H-1 Hospital veterinário e

assemelhados

Hospitais, clínicas e consultórios veterinários e assemelhados (inclui-se alojamento com ou

sem adestramento)

H-2

Local onde pessoas requerem cuidados

especiais por limitações físicas ou mentais

Asilos, orfanatos, abrigos geriátricos, hospitais psiquiátricos, reformatórios, tratamento de

dependentes de drogas, álcool. E assemelhados. Todos sem celas

H-3 Hospital e assemelhado

Hospitais, casa de saúde, prontos-socorros, clínicas com internação, ambulatórios e postos de atendimento de urgência, postos de saúde e

puericultura e assemelhados com internação

H-4 Edificações das forças

armadas e policiais Quartéis, delegacias, postos policiais e

assemelhados

H-5 Local onde a liberdade

das pessoas sofre restrições

Hospitais psiquiátricos, manicômios, reformatórios, prisões em geral (casa de

detenção, penitenciárias, presídios) e instituições assemelhadas. Todos com celas

H-6 Clínica e consultório

médico e odontológico

Clínicas médicas, consultórios em geral, unidades de hemodiálise, ambulatórios e

assemelhados. Todos sem internação

I Indústria

I-1

Locais onde as atividades exercidas e os materiais utilizados apresentam

baixo potencial de incêndio. Locais onde a carga de incêndio não

chega a 300MJ/m2

Atividades que utilizam pequenas quantidades de materiais combustíveis. Aço, aparelhos de rádio e som, armas, artigos de metal, gesso,

esculturas de pedra, ferramentas, jóias, relógios, sabão, serralheria, suco de frutas,

louças, máquinas

I-2

Locais onde as atividades exercidas e os materiais utilizados

apresentam médio potencial de incêndio. Locais com carga de incêndio entre 300 a

1.200MJ/m2

Artigos de vidro, automóveis, bebidas destiladas, instrumentos musicais, móveis, alimentos, marcenarias, fábricas de caixas

I-3

Locais onde há alto risco de incêndio.

Locais com carga de incêndio superior a

1.200 MJ/m²

Atividades industriais que envolvam inflamáveis, materiais oxidantes, ceras,

espuma sintética, grãos, tintas, borracha, processamento de lixo

37

Fonte: Decreto nº 2423-R CBMES, 2009

4.6 ALTURA DA EDIFICAÇÃO

Segundo a NBR 14432 (2000) a altura da edificação é a distância compreendida

entre o ponto que caracteriza a saída situada no nível de descarga do prédio e o

piso do último pavimento, excetuando-se zeladorias, barrilete, casa de máquinas,

piso técnico e pisos sem permanência humana.


J Depósito

J-1 Depósitos de material

incombustível

Edificações sem processo industrial que armazenam tijolos, pedras, areias, cimentos, metais e outros materiais

incombustíveis. Todos sem embalagem

J-2 Todo tipo de Depósito Depósitos com carga de incêndio até

300MJ/m2

J-3 Todo tipo de Depósito Depósitos com carga de incêndio entre

300 a 1.200MJ/m2

J-4 Todo tipo de Depósito Depósitos onde a carga de incêndio

ultrapassa a 1.200MJ/m²

L Explosivo

L-1 Comércio Comércio em geral de fogos de artifício e

assemelhados

L-2 Indústria Indústria de material explosivo

L-3 Depósito Depósito de material explosivo

M Especial

M-1 Túnel Túnel rodoferroviário e marítimo, destinados a transporte de passageiros ou cargas diversas

M-2 Líquido ou gás inflamáveis ou combustíveis

Edificação destinada a produção, manipulação, armazenamento e distribuição de líquidos ou

gases inflamáveis ou combustíveis

M-3 Central de comunicação e

energia

Central telefônica, centros de comunicação, centrais de transmissão ou de distribuição de

energia e assemelhados

M-4 Propriedade em transformação

Locais em construção ou demolição e assemelhados

M-5 Silos Armazéns de grãos e assemelhados

M-6 Terra selvagem Floresta, reserva ecológica, parque florestal e

assemelhados

M-7 Pátio de contêineres Área aberta destinada a armazenamento de

contêineres

38

Tabela 2: Classificação das edificações quanto à altura

Fonte: Decreto n 2423-R CBMES, 2009

4.7 CARGA DE INCÊNDIO DOS EDIFÍCIOS

“Carga de incêndio é a soma das energias caloríficas que poderiam ser liberadas

pela combustão completa de todos os materiais combustíveis em um espaço,

inclusive os revestimentos das vedações.” (SILVA, 2001, p. 160)

Com o valor da carga de incêndio específica, é possível determinar o risco de

incêndio da edificação. A unidade de carga de incêndio utilizada na engenharia é o

Megajoule (MJ). O quadro 2 indica os valores de carga de incêndio para alguns tipos

mais comuns de edificações e a tabela 3 indica o risco da edificação em função da

carga de incêndio.

Quadro 2: Carga de incêndio nas edificações

Fonte: Silva; Vargas, 2003, p. 21

Tipo Denominação Altura

I Edificação Térrea H 1,00 m

II Edificação Baixa H 6,00 m

III Edificação de Média Altura 6,00 m < H 12,00 m

V Edificação Mediamente Alta 23,00 m < H 30,00 m

VI Edificação Alta Acima de 30,00 m

39

Tabela 3: Classificação do risco das edificações quanto a carga de incêndio

Risco Carga de Incêndio MJ/m²

Baixo até 300MJ/m²

Médio Entre 300 e 1.200MJ/m²

Alto Acima de 1.200MJ/m²

Fonte: Fonte: Decreto nº 2423-R CBMES, 2009

4.8 MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA CALOR

Segundo Ferreira (2006) o entendimento sobre os conceitos de transferência de

calor é muito importante para compreender o comportamento do incêndio e a análise

térmica das estruturas de aço. A figura 17 ilustra abaixo uma situação esquemática

indicando as formas de transferência de calor.

Figura 17: Desenho esquemático ilustrando os mecanismos de transferência de calor

Fonte: Ebanataw, 2013

4.8.1 Condução

Segundo Frota, Schiffer (2001) o mecanismo de transferência de calor por condução

ocorre entre dois corpos que se tocam ou mesmo partes do corpo que estejam a

temperaturas diferentes.

40

A condutibilidade térmica do material depende de sua densidade (a matéria é

sempre muito mais condutora que o ar contido em seus poros), da natureza química

(os materiais amorfos são geralmente menos condutores que os cristalinos) e da

umidade (a água é mais condutora que o ar).

4.8.2 Convecção

Segundo Frota, Schiffer (2001) a transferência de calor por convecção ocorre entre

dois corpos, sendo um deles sólido e o outro um fluido (líquido ou gás).

A convecção natural é originada pelo aquecimento de um fluido em uma região localizada, provocando uma diminuição de sua densidade que produz uma tendência de ascensão dessa porção com a consequente descida do fluido mais frio que está acima, que é mais denso. (FERREIRA, 2006, p.17)

4.8.3 Radiação

Segundo Frota, Schiffer (2001) o mecanismo de troca de calor por radiação ocorre

entre dois corpos que estejam entre si a uma distância qualquer, devido a sua

capacidade de absorver e emitir energia térmica. Esse mecanismo de troca de calor

é consequência de natureza eletromagnética de energia, e permiti sua transmissão

sem meio de propagação, ocorrendo mesmo no vácuo.

4.9 MEDIDAS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO

As medidas de proteção contra incêndio classificam-se basicamente em passivas e

ativas.

“Proteção passiva é conjunto de medidas de proteção contra incêndio incorporadas

à construção do edifício e que devem, portanto, ser previstas e projetadas pelo

arquiteto.”(SILVA, VARGAS, ONO, 2010, p. 17)

41

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) proteções passivas para sistemas

estruturais são medidas que constituem no aumento da massa de aço dos

elementos ou na utilização de materiais de proteção térmica.

Já as proteções ativas, segundo Silva, Vargas, Ono (2010) são métodos de proteção

complementares ás medidas passivas, que só podem entrar em funcionamento caso

haja acionamento manual ou automático. Como exemplo de proteções ativas pode-

se citar hidrantes, extintores, chuveiro automático, etc.

42

5 COMPORTAMENTO DO AÇO EM SITUAÇÃO DE INCÊNCIO

Segundo Silva (2001), os materiais estruturais como o aço e o concreto quando

submetidos a altas temperaturas sofrem alterações em suas características físicas e

químicas, o que deve ser considerado no dimensionamento da estrutura em situação

de incêndio. Para MD/SDI - Secretária Especial de Desenvolvimento Industrial do

Ministério do Desenvolvimento Industrial (1989), a exposição à temperaturas

elevadas causa a redução da resistência e rigidez das peças, além do aparecimento

de esforços solicitantes adicionais e restrições nas estruturas, oriundas da dilatação

térmica dos materiais. A figura 18 ilustra abaixo a situação de uma viga metálica

após a ocorrência de um incêndio.

Segundo a NBR 14323 (2003), dimensionar uma estrutura em situação de incêndio

com ou sem proteção significa verificar as condições de estabilidade dos elementos

estruturais mediante à temperaturas elevadas, a fim de que não ocorra o colapso

estrutural, tornando possível a fuga dos usuários da edificação em tempo hábil, além

de evitar maiores danos e perda total do patrimônio.

Com relação aos métodos de dimensionamento, a NBR 14323 (2003) preconiza que

sejam realizados através de métodos de ensaios ou método do dimensionamento

analítico. Esse último pode ser dividido no método simplificado e no método

avançado.

No dimensionamento através de ensaios, estes devem ser realizados em

laboratórios e baseados em normas técnicas pertinentes ao assunto, podendo ser

brasileiras ou internacionais. No método simplificado as peças são analisadas

individualmente sempre considerando a degradação do material com o aumento da

temperatura, sendo os cálculos realizados através de modelos matemáticos

fornecidos pela norma, enquanto no método avançado são aplicadas situações

realísticas para simulações do incêndio. Devido à didática e a praticidade, no

trabalho em questão será utilizado o método de dimensionamento simplificado.

43

Figura 18: Imagem de uma viga metálica após ocorrência de um incêndio

Fonte: Real, 2004

5.1 PROPRIEDADES MECÂNICAS E TÉRMICAS DO AÇO

MEDIANTE AO FOGO

5.1.1 Resistência ao escoamento e módulo de elasticidade

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) quando submetidos a altas temperaturas

os aços tendem a sofrer redução da tensão de escoamento e do módulo de

elasticidade. A NBR 14323 (2003) fornece o gráfico com os coeficientes de redução

da resistência do aço em função da temperatura, caso que será abordado mais

adiante.

5.1.2 Massa específica

Diferente da madeira e do concreto, que tem sua massa específica alterada em

função da umidade, a NBR 14323 (2003) considera que o aço mesmo em

temperaturas elevadas se mantém com a mesma massa específica de 7850 kg/m³.

44

5.1.3 Alongamento

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) à medida que a temperatura do aço

aumenta, o material sofre alongamento. As equações abaixo determinam os valores

do alongamento do aço em função da temperatura.

Para :

Para :

Para :

Sendo:

: Comprimento da peça a 20ºC;

: Expansão térmica do aço provocada pelo aumento de temperatura;

: Temperatura do aço em ºC.

A partir das expressões acima, pode ser determinado o coeficiente de dilatação

térmica lembrando que . O gráfico da figura 19 ilustra a variação do

coeficiente de dilatação térmica do aço em função da temperatura.

45

Figura 19: Gráfico coeficiente de dilatação térmica x temperatura


Na adoção do método simplificado de dimensionamento a NBR 14323 (2003)

permite a consideração do alongamento variando linearmente com a temperatura,

seguindo a equação abaixo.

5.1.4 Calor específico

A quantidade de calor necessária para elevar de 1ºC uma unidade de massa de um

certo material, é chamado Calor específico. FERREIRA, CORREIA, AZEVEDO

(2006). No gráfico da figura 20 são mostrados os valores do calor específico do aço

para determinadas temperaturas, porém para efeitos de dimensionamento, a NBR

14323 (2003) permite que seja usado o valor de 600 J/kgºC.

Para :

Para :

46

Para :

Para :

Figura 20: Gráfico calor específico x temperatura


5.1.5 Condutividade térmica

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006), a Condutividade térmica é a

propriedade do material de conduzir calor. O gráfico da figura 21 mostra os valores

da condutividade térmica em função das temperaturas atingidas pelo aço, sendo 45

W/mºC o valor preconizado pela NBR 14323 (2003) para efeitos de

dimensionamento pelo método simplificado.

Para :

47

Para :

Figura 21: Gráfico condutividade térmica x temperatura


5.2 FATOR DE MASSIVIDADE OU FORMA

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006), fator de massividade é a relação entre a

área e o volume do corpo exposto ao fogo. Sendo uma barra prismática de

comprimento ( , o fator de massividade pode ser expresso de acordo com a

equação 18.

Sendo:

: Perímetro do perfil exposto ao fogo;

: Comprimento do perfil;

: Área bruta da seção transversal do perfil.

48

Segundo Silva (2001) o índice de aumento da temperatura de um elemento

estrutural é proporcional ao seu fator de massividade, como ilustrado no gráfico da

figura 22.

Figura 22: Gráfico temperatura x tempo para diferentes fatores de massividade

Fonte: Pannoni, 2007, p.79

Para Ferreira, Correia, Azevedo (2006), a redução do fator de massividade do perfil

adotado, pode ser obtida pela escolha de uma seção mais robusta, pois tendo uma

área maior no denominador da equação 18, o fator de massividade será reduzido.

Outra opção para a redução do fator de massividade é a aplicação de camadas de

proteção térmica na superfície dos perfis, caso que será abordado mais adiante. A

figura 23 ilustra a variação do fator de massividade em função do tipo de exposição

a que o perfil estará submetido, tendo como exemplo um perfil de alma cheia de

seção “I”.

49

Figura 23: Fator de massividade de um perfil mediante diferentes tipos de exposição ao fogo


5.3 TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRRF)

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006), a segurança de uma estrutura em

situação de incêndio é atendida quando ela suporta os esforços solicitantes

decorrentes da elevação da temperatura, dentro de um determinado tempo (TRRF).

“O TRRF determina, na curva-padrão temperatura-tempo do elemento estrutural,

uma temperatura que se supõe seja a temperatura correspondente à máxima

temperatura do aço na curva natural.” (SILVA, 2001, p.72). Esse fato pode ser

ilustrado na curva da figura 24.

Figura 24: Gráfico temperatura x tempo para o TRRF

Fonte: Silva; Vargas, 2003, p.19

50

A NBR 14323 (2003) permite que seja utilizado o método tabular e o método do

tempo equivalente para ser determinado o TRRF, porém no trabalho em questão

será tratado apenas o método tabular, devido à didática e praticidade.

Segundo a NBR 14432 (2000), para especificar o TRRF de uma edificação pelo

método tabular deve ser feito o uso do quadro 3, que está em função do tipo de

edificação e da altura, sendo essa a distância entre o nível de saída da edificação e

o piso do pavimento habitável mais alto, excluindo-se barrilete, caixa d‟água, casa

de máquinas, etc.

Quadro 3: Método tabular para determinação do TRRF


Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006), um fato importante a ser comentado, é

que o TRRF é proveniente do consenso da sociedade e padronizado por normas,

não significando o tempo de duração de um incêndio, o período de evacuação dos

usuários, ou o tempo de chegadas do Corpo de Bombeiros.

51

5.4 DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA NO AÇO EXPOSTO AO

FOGO SEM PROTEÇÃO TÉRMICA

“A diferença de temperatura entre as chamas de um incêndio e os elementos

estruturais gera um fluxo de calor que, por radiação e por convecção, transferem-se

para a estrutura, provocando aumento de temperatura.” (SILVA, 2001, p.39).

A equação 19, conforme indicada abaixo é proveniente da NBR 14323 (2003), sendo

a equação que determina a variação da temperatura atingida pelo aço em um

intervalo de tempo quando exposto ao fogo, considerando que a distribuição de

temperatura na seção transversal do aço seja uniforme, a peça estrutural seja

totalmente inserida no fogo e o fluxo de calor seja unidimensional.

Onde:

: Fator de massividade, dado em ;

: Calor específico do aço em Joule por quilograma e por grau Celsius;

Massa específica do aço, em quilograma por metro cúbico;

: Fluxo de calor por unidade de área, em Watt por metro quadrado;

: Intervalo de tempo, em segundos. Não podendo ser tomado maior que 25000/F,

ou maior que 5 segundos.

Na equação 19 o valor de é dado por:

com

( )

e

*( ) +

52

Onde:

: Componente do fluxo de calor devido à convecção, em watt por metro quadrado;

: Componente de fluxo de calor devido à radiação, em watt por metro quadrado;

: Coeficiente de transferência de calor por convecção, podendo ser tomado para

efeitos práticos igual a 25 W/m²C;

: Temperatura dos gases, em graus Celsius;

: temperatura no aço, em graus Celsius;

: Emissividade resultante, podendo ser tomada para efeitospráticos igual a 0,5.

Para a determinação da temperatura dos gases no ambiente em chamas, utiliza-se a

equação 7, comentada no item 4.2.

Segundo Silva (2001) tendo em vista que o aço tem sua resistência reduzida

mediante a exposição ao fogo, existe uma temperatura denominada crítica, que leva

ao colapso o elemento estrutural. Para pilares e vigas essa temperatura varia entre

500ºC e 700ºC.

5.5 PROTEÇÕES TÉRMICAS PARA VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO

DE INCÊNDIO

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006), quando um perfil de aço não resistir aos

esforços decorrentes da elevação da temperatura, deve-se adotar sistemas de

proteções ativas ou passivas, minimizando assim, os efeitos danosos provocados

nos aços durante um incêndio. Dentre os sistemas de proteções ativas estão

detectores de fumaça, chuveiros automáticos, etc. Já nos sistemas de proteções

passivas, destacam-se o aumento da seção do elemento estrutural ou a aplicação

de materiais de revestimento, envolvendo a peça e impedindo que o fogo atue

diretamente sobre o aço.

53

As proteções passivas utilizadas para revestir as vigas de aço podem ser do tipo

caixa ou do tipo contorno, como ilustrado na figura 25 abaixo.

Figura 25: Ilustração esquemática de perfis com proteção tipo contorno e tipo caixa respectivamente


Segundo Silva, Vargas, Ono (2010), os materiais de revestimento térmico utilizados

em estruturas devem possuir as seguintes propriedades:

Baixa massa específica aparente;

Baixa condutividade térmica;

Alto calor específico;

Adequada resistência mecânica;

Garantia de integridade durante a evolução do incêndio;

Custo compatível com o empreendimento.

5.5.1 Argamassa projetada à base de vermiculita

Segundo Silva, Vargas, Ono (2010) são argamassas composta basicamente de

vermiculita expandida, gesso, aglomerantes hidráulicos, resinas acrílicas, fibras de

celulose e partículas de poliestireno, que com adição de água torna-se uma

argamassa de proteção térmica.

Quando aquecida, a vermiculita perde a água de hidratação, sofrendo expansão e

retardando o gradiente de aquecimento do aço.

54

Segundo Dias (1997), a vermiculita pode ser encontrada no mercado na forma de

flocos, e misturada com os demais componentes na própria obra. Quanto às formas

de aplicação, podem ser manual com utilização de espátula ou processo de

jateamento, não sendo necessário o uso de telas ou pinos para fixação.

Segundo Silva, Vargas, Ono (2010) as argamassas projetadas apresentam uma

textura rústica e grosseira, não sendo aconselhada para estruturas expostas e que

exijam alto padrão arquitetônico. Em contrapartida, apresentam um custo mais

acessível que as demais opções de proteção térmica e podem ser facilmente

escondidas com a colocação de rebaixamento de gesso ou materiais similares. Para

aplicação de argamassas projetadas é necessário o uso de sistema pressurizado,

jateando-as na estrutura a ser protegida. A figura 26 abaixo ilustra uma porção de

flocos de argila expandida.

Figura 26: Vermiculita em forma de flocos

Fonte: Alibaba, 2013

5.5.2 Argamassa projetada cimentícia (cimentitious)

Segundo Dias (1997) é uma argamassa composta basicamente de 80% de gesso e

20% de cimento e materiais inertes (fibra de celulose ou lã de rocha). Durante o

aquecimento, o gesso sofre a perda da água retida em seu interior, dificultando

assim a transmissão de calor, porém devido à perda de água o material começa a

deteriorar-se, desintegrando totalmente após a evaporação de todo o líquido. Para

55

aumentar a resistência deste material adicionam-se fibras, de forma que a

degradação total aconteça mediante temperaturas muito elevadas.

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) essa argamassa caracteriza uma

proteção do tipo contorno, que proporciona uma aparência rugosa à superfície da

peça, não sendo indicada para ambientes com grandes exigências de estética. Além

disso, o uso deste material desencadeia um ambiente sujo durante a execução da

obra, tem dificuldade de aderência do substrato e possui um tempo de secagem

longo. Em contrapartida possui um custo mais acessível em relação a alguns

materiais de proteção térmica. A figura 27 ilustra abaixo a aplicação de argamassa

projetada em uma viga metálica.

Figura 27: Aplicação de argamassa projetada cimentitious em viga metálica

Fonte: Pannoni, 2013

5.5.3 Argamassa projetada à base de fibra mineral

Segundo Silva (2001) são produtos compostos por fibras minerais, basicamente lã

de rocha, misturadas com baixo teor de aglomerante. Para sua aplicação é

56

necessário o uso de sistema pneumático sob baixa pressão, são transportadas por

meio de mangueiras até o esguicho e misturadas com água atomizada, sendo seu

lançamento feito diretamente sobre a superfície desejada.

Assim como as outras argamassas projetadas, esta também proporciona uma

superfície rugosa e um baixo custo de aplicação.

Vale frisar que segundo Silva, Vargas, Ono (2010) as argamassas projetadas devem

trabalhar em conjunto com a estrutura acompanhando seus movimentos e

funcionando monoliticamente, penetrando em todos os cantos e fendas dos perfis e

ligações. A figura 28 abaixo ilustra um aplicador projetando argamassa a base de

fibras em uma viga metálica, fazendo o uso de tela para melhor aderência do

produto na superfície do aço.

Figura 28: Aplicação de argamassa projetada a base de fibras minerais em viga metálica


Segundo Bellei, Pinho, Pinho (2008) os principais tipos de argamassas projetadas

encontradas no mercado são a BlazeShild II, a Monokote – MK6 e a Termisist-G.

Segundo Silva, Vargas, Ono (2010) a durabilidade das argamassas deve ser a

mesma da estrutura, e devem dispensar a manutenção possibilitando a facilidade de

57

reparos manuais. Além disso, devem ser isentas de umidade ao longo de sua vida

útil, tornando desnecessário o uso de primers de proteção contra corrosão para

estruturas internas. Durante a aplicação, para garantir uma boa durabilidade, não

devem ser deixados espaços vazios que possibilitem a inserção de insetos e a

proliferação de fungos em seu interior.

5.5.4 Mantas

Segundo Silva (2001) as mantas utilizadas para proteção térmica podem ser de fibra

cerâmica, lã de rocha ou outro material fibroso.

Segundo Dias (1997) as mantas de lã de rocha são produtos provenientes da

alteração de rochas basálticas. Estes materiais são compostos por fibras dispostas

de forma aleatória, sendo confeccionadas com tela galvanizada em uma das faces.

Com relação às mantas fibrocerâmicas, Dias (1997) comenta que são produtos

flexíveis formados pela aglomeração de fibras sílico-aluminosas de baixa densidade.

A composição é feita por fibras organizadas de maneira multidirecional e

entrelaçadas por agulhamento contínuo, proporcionando às mantas boa resistência

ao manuseio e a erosão. As mantas fibrocerâmicas podem ser utilizadas tanto para

proteção tipo contorno quanto caixa, não sendo neste caso recomendadas para

perfis com altura da alma maior que 150 mm, sendo necessário o uso de telas para

melhor estruturação. Em relação aos meios de fixação da manta, estas são fixadas

por pinos soldados nos perfis de aço ou por cintas metálicas.

Segundo Silva (2001) as mantas possuem um acabamento rústico, sendo

recomendado o uso em locais protegidos por forros e longe de umidade, conforme

figura 29.

58

Figura 29: Estrutura de aço revestida por manta fibrocerâmica

Fonte: Real, 2004

5.5.5 Placas rígidas

Segundo Silva, Vargas, Ono (2010) são elementos pré-fabricados com fixação feita

através de pinos ou perfis leves de aço, podendo ser composto por gesso,

vermiculita, materiais fibrosos ou combinação desses materiais.

As placas de gesso acartonado têm seu núcleo constituído de gesso natural,

misturado com água e aditivos, revestido com duas lâminas de cartão duplex. Ao

adicionar fibras minerais em seu núcleo são obtidas as placas resistentes ao fogo. A

figura 30 ilustra abaixo a aplicação de painéis de gesso em uma viga metálica.

Figura 30: Estrutura metálica revestida com placas de gesso acartonado

Fonte: Real, 2004

59

As placas de lã de rocha, conforme ilustrado na figura 31são painéis rígidos

constituídos de materiais fibrosos, em geral formados pela aglomeração e

pulverização de resinas endurecidas termicamente.

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006), na utilização desses materiais deve-se

atentar com relação à junção das placas, pois o revestimento deve impedir a

passagem de gases através das juntas. Os revestimentos rígidos de proteção

térmica proporcionam um bom acabamento e um sistema de execução limpo na

obra, no entanto sua aplicação é lenta e podem-se ter placas com espessuras entre

20 mm e 50 mm.

Figura 31: Estrutura metálica revestida com placas de lã de rocha constituindo proteção do tipo caixão


5.5.6 Pintura intumescente

Segundo Silva (2001) são pinturas reativas ao calor, que sofrem um processo de

expansão volumétrica, ou seja, intumescem quando expostas a temperaturas

maiores que 200ºC, conforme figura 32.

Tornam-se esponjosos com poros preenchidos por gases atóxicos, que atuam em conjunto com resinas especiais formando uma espuma rígida na superfície da estrutura, provocando o retardamento da elevação das temperaturas nos elementos metálicos. (SILVA, 2001, p.138)

60

Segundo Silva, Vargas, Ono (2010) as tintas intumescentes podem ser aplicadas por

pincel, rolo, ou pistola, aderindo diretamente sobre a superfície do perfil, sendo

necessário prever a utilização de fundo preparador (primer) e tinta de acabamento

na tonalidade desejada (top Seal).

Para Ferreira, Correia, Azevedo (2006) o uso deste material proporciona grandes

vantagens no que diz respeito à estética, facilidade de aplicação e limpeza na obra.

Em contrapartida, é um produto de custo elevado, que se usado de forma

inadequada pode inviabilizar o empreendimento.

Figura 32: Efeito da tinta intumescente mediante exposição ao fogo


Segundo Bellei, Pinho, Pinho (2008) as principais tintas intumescentes encontradas

no mercado são a Calatherm 600, a Unitherm, a Nulifire S605 e S607 e a

CafcoSprayfilm WB2 e WB3.

5.5.7 Encamisamento com concreto armado ou concreto celular

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) o concreto normal ou o concreto celular

podem ser alternativas para proteção contra incêndio, envolvendo parcial ou

totalmente o perfil metálico. Embora essa alternativa não seja abordada no trabalho

em questão devido à dificuldade de execução nas vigas e o fato de existir outras

61

soluções mais leves, trata-se de um método antigo e bastante utilizado para

proteção do aço mediante elevação de temperatura.

Segundo MD/SDI (1989) para aplicação do concreto simples executados “in situ” é

necessário o uso tela deployer ou em alguns casos ferragem convencional para

armação e prevenção contra fissuração da massa e garantia da resistência

mecânica.

Para Ferreira, Correia, Azevedo (2006) tanto o concreto comum quanto o concreto

celular funcionam muito bem como proteções ao fogo, devido a suas reduzidas

difusidades térmicas. A figura 33 abaixo, trás um esquema ilustrando o

encamisamento de um pilar metálico com utilização de concreto armado.

Figura 33: Encamisamento de pilar de metálico com utilização de concreto armado

Fonte: CBCA, 2011

5.5.8 Estruturas irrigadas

Segundo MD/SDI (1989) o enchimento de perfis tubulares com água constitui em um

tipo de proteção muito eficiente contra incêndio, garantindo que a estrutura se

mantenha funcional durante o período de exposição ao fogo. A figura 34 ilustra um

edifício com dois reservatórios garantindo a circulação da água através dos perfis

tubulares.

62

Figura 34: Edifício com esquema de estrutura irrigada para proteção contra incêndio

Fonte: Real, 2004

5.5.9 Aumento da seção do perfil

Além das proteções citadas acima, outra alternativa que pode proteger a estrutura

em situação de incêndio é a adoção de um perfil com seção mais robusta, ou seja,

proteger aço com aço, no entanto a execução da fundação e das ligações se tornam

mais onerosas, devido o aumento do peso próprio dos elementos estruturais em

aço. Além disso, em algumas situações o perfil utilizado deverá ter uma seção tão

robusta a ponto de não existir padrões comerciais no mercado e ser feito apenas por

encomenda, tornando o custo mais elevado.

5.6 DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA NO AÇO EXPOSTO A

ALTAS TEMPERATURAS COM PROTEÇÃO TÉRMICA

Segundo Ferreira, Correia, Azevedo (2006) quando uma peça estrutural possui

algum tipo de proteção térmica o aquecimento do aço irá depender das propriedades

do material de proteção, pois o aumento da temperatura será resultado da condução

de calor através desses materiais.

63

A NBR 14323 (2003) fornece uma equação para a determinação da temperatura de

um elemento estrutural situado no interior da edificação envolvido por proteção

térmica, considerando que a distribuição da temperatura seja uniformemente

distribuída ao longo da seção do perfil.

⁄ (

⁄ )

com

⁄

Onde:

⁄ : fator de massividade para elementos estruturais envolvidos por material de

proteção contra incêndio, em um por metro;

: perímetro efetivo do material de proteção contra incêndio, igual ao perímetro da

face interna do material de proteção contra incêndio mais metade dos afastamentos

desta face ao perfil de aço, em metro;

área da seção transversal do elemento estrutural;

: calor específico do aço em joule por quilograma e por grau Celsius;

: calo específico do material de proteção contra incêndio em joule por quilograma

e por grau Celsius;

: espessura do material de proteção contra incêndio;

: temperatura do aço no tempo t, em grau Celsius;

: temperatura dos gases no tempo t, em grau Celsius;

: condutividade térmica do material de proteção contra incêndio, em watt por

metro e por grau Celsius;

: massa específica do aço, em quilograma por metro cúbico;

: massa específica do material de proteção contra incêndio, em quilograma por

metro cúbico;

: Intervalo de tempo, em segundos. Não podendo ser tomado maior que 25000/F,

ou maior que 30 segundos.

64

A NBR 14323 (2003) diz ainda que quando a proteção térmica utilizada for a pintura

intumescente ou produtos com o mesmo comportamento, as equações acima não

poderão ser aplicadas, sendo necessário outros meios para a determinação da

temperatura do aço, como por exemplo, realização de ensaios em laboratórios

nacionais ou estrangeiros, respeitando os padrões estabelecidos pelas normas

técnicas vigentes.

5.7 CARTA DE COBERTURA DOS MATERIAIS DE PROTEÇÃO

TÉRMICA

Segundo Bellei, Pinho, Pinho (2008) todos os materiais de proteção térmica mesmo

sendo dimensionados pelo método teórico, são antes testados em laboratórios, e

então é gerada uma tabela chamada carta de cobertura, que indica a espessura

mínima do material a ser aplicado, em função do fator de massividade e do TRRF. O

quadro 4abaixo traz como exemplo, a carta de cobertura referente à argamassa

projetada a base de vermiculita e cimento, lembrando que a espessura pode variar

de acordo com cada fabricante.

Quadro 4: Exemplo de Carta de cobertura para placa de gesso acartonado

Fonte: Vargas; Silva, 2003, p.45

65

5.8 CRITÉRIOS DE ISENÇÃO DE VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL EM

SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Devido ao fato de algumas edificações apresentarem facilidade de evacuação em

situações de sinistros e pânico, tais como edifícios baixos, de áreas pequenas ou de

apenas um pavimento, pode-se verificar os critérios de isenção para o cálculo

estrutural em situação de incêndio, como ilustrado no quadro 5. PANNONI (2007)

Quadro 5: Quadro com critérios de isenção para verificação estrutural em situação de incêndio


5.9 REUTILIZAÇÃO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS APÓS O

INCÊNDIO

Segundo MD/SDI (1989) após um incêndio, quando a peça estrutural esfria, o

elemento retoma suas propriedades originais, tais como, limite de escoamento,

ruptura e módulo de elasticidade. Estruturas que não sofrem deformações plásticas,

ganham novamente resistência e podem permanecer no conjunto estrutural da

66

mesma forma que atuavam antes. Já as peças que sofrem deformações

permanentes, podem ser substituídas por um novo material, sempre respeitando os

critérios de segurança e prevendo um bom sistema de escoramento.

Defeitos na estrutura causados pelo fogo são facilmente detectados, não sendo

coerente a suspeita de danos “escondidos” nos elementos estruturais.

6 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE EM AÇO EM TEMPERATURA

AMBIENTE NBR 8800 (2008)

6.1 COMBINAÇÃO DE AÇÕES E ESFORÇOS SOLICITANTES

Segundo a NBR 8800 (2008) na análise estrutural devem ser consideradas todas as

ações que provocam efeitos significativos na estrutura, tendo em vista os estados

limites últimos e de serviço. As ações atuantes em uma estrutura podem ser

permanentes diretas, permanentes indiretas, variáveis e excepcionais.

As ações permanentes diretas são esforços provenientes do peso próprio da

estrutura e dos elementos fixos que compõe a edificação. As ações permanentes

indiretas são ações constituídas pela retração e fluência do concreto, esforços

devido ao deslocamento dos apoios e imperfeições geométricas. As ações variáveis

são ações que variam durante a vida útil da edificação, como por exemplo,

sobrecarga de uso e ocupação e forças devidas ao vento, restando as ações

excepcionais, que são esforços provenientes de sinistros que possam ocorrer

durante a vida útil da estrutura, como explosões, sismos, choque de veículos,

incêndios e enchentes.

As combinações de ações para o cálculo estrutural se dividem em normal, especial,

de construção e serviço. No trabalho em questão serão utilizadas somente as

combinações normais e de serviço para a verificação dos deslocamentos.

67

6.1.1 Combinações últimas normais

Segundo a NBR 8800 (2008) as combinações últimas normais são provenientes do

uso previsto para a edificação. No dimensionamento devem ser previstas tantas

combinações quantas forem necessárias para a verificação da segurança da

edificação. Em todas as combinações devem estar presentes as ações

permanentes, ação variável principal, e demais ações variáveis.

∑( ) ∑( )

Sendo:

: Valor da ação;

: Coeficiente de ponderação para ação permanente (quadro 6);

: Valores característicos das ações permanentes;

: Coeficiente de ponderação para ação variável principal (quadro 6);

: Valor característico da ação variável considerada principal para a combinação;

: Coeficiente de ponderação para as demais ações variáveis (quadro 6);

: Fator de combinação das ações (quadro 7);

: Valores característicos das ações variáveis que podem atuar

concomitantemente com a ação variável principal.

68

Quadro 6: Valores dos coeficientes de ponderação das ações

Fonte: NBR 8800, 2008, p. 18

Quadro 7: Valores dos fatores de combinação e redução

Fonte: NBR 8800, 2008, p. 19

69

6.1.2 Combinações para os estados limites de utilização

Em função do carregamento e das seções adotadas para a estrutura, ao longo da

vida útil da construção, podem aparecer deformações que provoquem desconforto

visual e patologias nos elementos pertencentes à edificação. Portanto, para a

previsão de deslocamentos excessivos e métodos de prevenção, a NBR 8800

(2008) preconiza algumas diretrizes que contribuem para o correto funcionamento

da estrutura. Para a verificação dos valores máximos dos deslocamentos verticais

(flecha), a norma fornece uma tabela que está em função do tipo de estrutura e do

comprimento do vão, sendo os valores referenciados para uma viga biapoiada.

Segundo a NBR 8800 (2008) no cálculo dos deslocamentos verticais a serem

comparados com os valores máximos dados no quadro 8, pode deduzir o valor da

contraflecha da viga até o limite do valor da flecha proveniente das ações

permanentes.

Quadro 8: Valores máximos permitidos de deslocamento (flecha)

Fonte: NBR 8800, 2008, p. 117

Para a determinação da deformação de vigas biapoiadas utiliza-se a equação

abaixo, segundo a NBR 8800 (2008).

70

Sendo:

: Carregamento proveniente da combinação de ações que será utilizada em função

das disposição da viga;

: Comprimento do vão da viga;

: Módulo de elasticidade do material;

: Momento de inércia da seção transversal.

No trabalho em questão, todas as vigas receberão carregamento de paredes, nesse

caso a formulação recomendada é a equação 27, que diz respeito à combinação

rara de serviço. Essa combinação pode ser utilizada para danos relacionados ao

funcionamento adequado da estrutura, tais como formação de fissuras e danos aos

fechamentos.

∑

∑

Sendo:

: Valor da ação;

: Valores característicos das ações permanentes;

: Valor característico da ação variável considerada principal para a combinação;

: Fator de redução para as ações variáveis (quadro 7);

: Valores característicos das ações variáveis que podem atuar

concomitantemente com a ação variável principal.

71

6.2 PRÉ-DIMENSIONAMENTO DO PERFIL

Segundo Silva, Pannoni (2010) uma maneira prática de pré-dimensionar vigas de

aço é a adoção das seguintes condições:

Para vigas continuamente travadas: altura = vão/20

Para vigas sem travamento lateral: altura = vão/15

Para vigas mistas: altura = vão/22

Além disso, tendo em mãos os valores do momento fletor e a tensão de escoamento

do aço utilizado, pode-se estimar o módulo resistente a flexão.

Sendo:

: Módulo resistente plástico;

: Momento solicitante;

: é o coeficiente de minoração do esforço resistente igual a 1,10.

: Tensão de escoamento do aço.

6.3 DETERMINAÇÃO DO MOMENTO FLETOR RESISTENTE

Segundo a NBR 8800 (2008) para o dimensionamento das barras submetidas a

momento fletor, no cálculo estrutural deve ser respeitada a seguinte condição:

Onde:

: Momento fletor solicitante de cálculo;

: Momentofletor resistente de cálculo.

72

6.3.1 Verificação da esbeltez

Para o correto dimensionamento das vigas metálicas em perfil I, devem ser

atendidos os critérios de esbeltez, segundo a NBR 8800 (2008), respeitando a

seguinte condição:

√

Onde:

: Esbeltez da alma do perfil;

: altura da alma do perfil;

: espessura da alma do perfil;

: Módulo de elasticidade do aço utilizado;

: Tensão de escoamento do aço utilizado.

Caso a condição não seja estabelecida, a viga a ser dimensionada será uma viga

esbelta, não sendo objetivo do trabalho em questão. Para o dimensionamento de

vigas esbeltas, a NBR 8800 (2008) fornece métodos para a correta verificação e

escolha ideal do perfil.

6.3.2 Flambagem local da alma (FLA)

Para a análise da flambagem local da alma, relaciona-se a altura “h” com a

espessura “tw” da alma, conforme ilustrado na figura 35, pois quanto maior for a

altura em relação a espessura, mais susceptível estará o perfil à flambagem. Com

relação às dimensões, cada fabricante disponibiliza suas tabelas contento as

informações necessárias ao dimensionamento, que deve seguir as seguintes

condições:

73

Figura 35: Ilustração da alma de um perfil “i”

Fonte: Dados primários. 2013

√

No dimensionamento pode ser definido também um parâmetro de esbeltez que

corresponde ao inicio do escoamento:

√

Portanto para a determinação do momento nominal teremos as seguintes condições:

Para , tem-se:

Para , tem-se:

( )

( )( )

Onde:

E para não é aplicável a FLA, pois a viga é esbelta quanto à alma.

74

Sendo:

: Altura da alma do perfil;

: Espessura da alma do perfil;

: Esbeltez correspondente à plastificação;

: Esbeltez correspondente ao escoamento;

: Momento nominal;

: Momento de plastificação;

: Momento correspondente ao escoamento;

: Menor módulo resistente elástico da seção.

6.3.3 Flambagem local da mesa (FLM)

Para a análise da flambagem local da mesa, relaciona-se a largura “bf” com a

espessura “tf” da mesa, conforme ilustrado na figura 36, pois quanto maior for a

largura em relação à espessura, mais susceptível estará o perfil à flambagem. Com

relação às dimensões, cada fabricante disponibiliza suas tabelas contento as

informações necessárias ao dimensionamento, que deve seguir as seguintes

condições:

Figura 36: Ilustração da mesa de um perfil “i”


√

75

No dimensionamento pode ser definido também um parâmetro de esbeltez que

corresponde ao inicio do escoamento.

Para perfis laminados:

√

Com .

Para perfis soldados:

√

Com

√ ⁄, onde .


Para , tem-se:

Para , tem-se:

( )( )

Com ( ) .

E para , tem-se:

76

No qual aplica-se esta equação para perfis laminados. Para perfis soldados, utiliza-

se a equação abaixo:

Com

√ ⁄.

Sendo:

: Largura da mesa do perfil;

: Espessura da mesa do perfil;

: Momento resistente nominal para a situação limite entre as classes de seções

semi-compactas e esbelta, isto é, ;

: Tensão residual de compressão nas mesas tomada igual ;

: Módulos resistentes elásticos das partes comprimidas e tracionadas,

respectivamente;

: Momento resistente à flexão determinado pela flambagem local elástica da

mesa ou da alma do perfil (momento crítico no caso de flambagem local da mesa).

6.3.4 Flambagem lateral por torção (FLT)

A análise da flambagem lateral por torção está relacionada com a possibilidade de

deslocamento lateral da viga, por conta dos carregamentos solicitantes originando

esforços de tração e compressão. No trabalho em questão as vigas serão

consideradas travadas lateralmente ao longo de seu comprimento, sendo impedida a

ocorrência de FLT. A figura 37 abaixo, ilustra um desenho esquemático de uma viga

metálica submetida à FLT.

77

Figura 37: Ilustração de uma viga metálica submetida à flambagem lateral por torção (FLT)

Fonte: Belley, Pinho, Pinho, 2008, p. 359

O correto dimensionamento preconizado pela norma deve seguir as seguintes

condições:

√

Assim como na FLA e FLM no dimensionamento pode ser definido também um

parâmetro de esbeltez que corresponde ao inicio do escoamento.

√

√ √

Com ( )

;

e

.


Para , tem-se:

78

Para , tem-se:

*

( )( )+

Com ( ).

E para , tem-se:

√

(

)

Com

Sendo:

: Comprimento destravado da viga;

: raio de giração em torno do eixo y;

: Momento de inércia em torno do eixo y;

: Momento de inércia a torção pura;

: Constante de empenamento;

: Momento resistente à flexão determinado pela flambagem local elástica da

mesa ou da alma do perfil (momento crítico no caso de flambagem local da mesa);

: Coeficiente que leva em conta o efeito favorável de o momento não ser uniforme

no segmento .

: momento fletor máximo (em módulo) no trecho da viga;

Módulos dos momentos fletores no segmento da viga de comprimento

, respectivamente nos pontos situados às distâncias de , e de um

dos dois pontos de contenção lateral.

79

6.3.5 Determinação do momento resistente

Para a determinação do momento resistente de cálculo utiliza-se a equação 47

abaixo, no qual o Mn é o menor momento nominal obtido nas verificações anteriores

(FLA, FLM e FLT).

6.4 DETERMINAÇÃO DO ESFORÇO CORTANTE RESISTENTE

A NBR 8800 (2008) fornece as equações para o correto dimensionamento das vigas

metálicas submetidas a esforços cortantes, considerando os estados limites últimos

de escoamento e flambagem por cisalhamento. Em seções I, H e U fletidas em

relação ao eixo central de inércia perpendicular à alma (eixo de maior momento de

inércia), a força cortante resistente de cálculo, , deve ser determinada pelos

seguintes parâmetros abaixo.

Para , tem-se:

Para , tem-se:

E para , tem-se:

80

(

)

Onde:

√

√

{

[

]

Sendo:

: Força cortante correspondente à plastificação da alma por cisalhamento;

Onde:

: Altura total da seção transversal;

: Espessura da alma;

: Distância entre as linhas de centro de dois enrijecedores transversais;

: Altura da alma, tomada igual à distância entre as faces internas das mesas dos

perfis soldados, e igual a esse valor menos os dois raios de concordância entre

mesa e alma nos perfis laminados;

: é o coeficiente de minoração do esforço resistente igual a 1,10.

81

A figura 38 ilustra abaixo um desenho esquemático de uma viga metálica indicando

a nomenclatura de cada componente no cálculo dos enrijecedores.

Figura 38: Ilustração de uma viga possuindo enrijecedores intermediários

Fonte: Dados primários

A NBR 8800 (2008) fornece ainda o método de cálculo para as situações em que há

a necessidade de enrijecedores transversais intermediários, caso que não será

abordado no presente trabalho. Os enrijecedores transversais intermediários podem

ser dispensados nas vigas com (flambagem não é determinante no

dimensionamento); e ainda quando e o esforço cortante solicitante for

menor que o cortante resistente. Se essas condições não forem atendidas, os

enrijecedores transversais deverão ser instalados.

Outra situação que não será abordada no trabalho, mas que a norma estabelece

padrões de cálculo, é a verificação de enrijecedores para as vigas submetidas a

cargas concentradas diretamente sobre a mesa comprimida, sendo o vetor força

perpendicular ao eixo de flexão do perfil. Esse tipo de esforço pode ocasior

escoamento local, enrugamento ou flambagem da alma.Na estrutura do edifício a

ser analisado no trabalho a transmissão de esforços das vigas para os pilares será

feita via cantoneiras soldadas na alma do perfil e fixadas no pilar por meio de

parafusos de alta resistência, deixando uma pequena distância entre a viga e o pilar

de aproximadamente 10mm para que em caso de deformações e dilatação a

estrutura tenha condições de trabalhar sem ocasionar danos aos elementos

construtivos.

82

7 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE

INCÊNDIO SEM UTILIZAÇÃO DE PROTEÇÃO TÉRMICA NBR 14323

(2003)

7.1 FATOR DE MASSIVIDADE

Para a determinação do fator de massividade, segundo a NBR 14323 (2003) a

presença de pequenos furos na seção transversal do perfil pode ser desprezada,

sendo feita a consideração da área bruta para o dimensionamento.

7.2 TEMPERATURA ATINGIDA PELO PERFIL DE AÇO DURANTE O

INCÊNDIO

Para a condição de exposição ao fogo, no dimensionamento da estruturas, deve ser

determinada a temperatura que o aço irá atingir no instante final do TRRF, que

obedece a equação 19, fornecida pela NBR 14323 (2003).

7.3 FATORES DE REDUÇÃO DO LIMITE DE ESCOAMENTO E

MÓDULO DE ELASTICIDADE

Como dito anteriormente o aço tende a perder resistência mediante altas

temperaturas. Portanto, para taxas de aquecimento entre 2ºC/min e 50ºC/min, a

NBR 14323 (2003) fornece uma tabela que indica os fatores de redução do módulo

de elasticidade e tensão de escoamento em função da temperatura atingida pelo

perfil ao final do TRRF, visto que essas duas propriedades estão diretamente ligadas

ao dimensionamento das vigas metálicas. Os respectivos fatores de redução da

resistência para o aço exposto a altas temperaturas são dados pelas equações

abaixo e podem ser representados conforme a tabela 4 e o gráfico da figura 39.

83

Sendo:

: Resistência ao escoamento dos aços laminados a uma temperatura ;

: Resistência ao escoamento de aço a 20ºC;

: Resistência ao escoamento dos aços a 20ºC.

: Módulo de elasticidade dos aços laminados a uma temperatura ;

: Módulo de elasticidade de todos os aços a 20ºC.

Tabela 4: Fatores de redução da resistência do aço

Temperatura do aço θa (°C)

Fator de redução para a resistência ao limite de escoamento dos aços

laminados ( )

Fator de redução para a resistência ao módulo de

elasticidade dos aços

laminados ( )

20 1,000 1,000

100 1,000 1,000

200 1,000 0,900

300 1,000 0,800

400 1,000 0,700

500 0,780 0,600

600 0,470 0,310

700 0,230 0,130

800 0,110 0,090

900 0,060 0,068

1000 0,040 0,045

1100 0,020 0,023

1200 0,000 0,000

Fonte: NBR 14323 (2003), p. 10

84

Figura 39: Gráfico de fatores de redução da resistência do aço

Fonte: NBR 14323 (2003), p. 11

7.4 COMBINAÇÕES DE AÇÕES PARA O ESTADO LIMITE ÚLTIMO

Segundo a NBR 14323 (2003) as combinações para o estado limite último em

situação de incêndio devem ser consideradas como combinações últimas

excepcionais. Deve-se considerar que os esforços solicitantes decorrentes de um

incêndio têm o tempo de atuação muito pequeno, desta forma as combinações são

expressas conforme as equações abaixo.

Para locais em que não há predominância de pesos de equipamentos que

permaneçam fixos por longos períodos de tempo, nem de elevadas concentrações

de pessoas (por exemplo, edificações residenciais, de acesso restrito):

∑

Em locais em que há predominância de pesos de equipamentos que permaneçam

fixos por longos períodos de tempo, ou de elevadas concentrações de pessoas (por

exemplo, edificações comerciais, de escritórios e de acesso público):

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Fato

r d

e re

du

ção

Temperatura (°C)

85

∑

Em bibliotecas, arquivos, depósitos, oficinas e garagens:

∑

Sendo:

: Valor característico das ações permanentes diretas;

: Valor característico das ações térmicas decorrentes do incêndio;

: Valor característico das ações variáveis decorrentes do uso e ocupação da

edificação;

: Valor do coeficiente de ponderação para as ações permanentes diretas, igual a

1,0 para ações permanentes favoráveis e dado pelo quadro 9, opcionalmente, pelo

quadro 10 para ações permanentes desfavoráveis.

Quadro 9: Coeficiente para ações permanentes diretas consideradas separadamente

Fonte: NBR 14323 (2003), p.16

Quadro 10: Coeficiente para ações permanentes diretas agrupadas

Fonte: NBR 14323 (2003), p.17

86

7.5 VERIFICAÇÃO QUANTO AO MOMENTO FLETOR PARA OS

ESTADOS LIMITES ÚLTIMOS

Segundo a NBR 14323 (2003) o esforço resistente de cálculo em situação de

incêndio, obtido a partir de qualquer método de dimensionamento, não pode ser

tomado com valor superior ao esforço resistente de cálculo à temperatura ambiente.

Ferreira, Correia, Azevedo (2006) diz que as expressões apresentadas pelo método

de dimensionamento simplificado são aplicadas às barras submetidas à flexão, cujos

elementos que compõem a seção transversal não sofram flambagem local em

regime elástico em decorrência da atuação do momento fletor e que possuam o

parâmetro de esbeltez ( ) usado para os estados limites últimos de flambagem local

da mesa comprimida (FLM), flambagem local da alma (FLA) e flambagem lateral por

torção (FLT) indicado na NBR 8800.

7.5.1 Parâmetros considerados nos cálculos

Para o dimensionamento das vigas metálicas em situação de incêndio é necessário

que seja estabelecido dois parâmetros ( e ), sendo esses obtidos em função do

tipo de condição em que a viga estará submetida.

O fator de correção é utilizado para a correção da distribuição de temperatura

não-uniforme na seção transversal, e tem os seguintes valores:

- Para uma viga com todos os quatro lados expostos: 1,00;

- Para uma viga envolvida por material de proteção contra incêndio, com três lados

expostos, com uma laje de concreto ou laje com fôrma de aço incorporada no quarto

lado: 1,40;

- Para uma viga sem proteção contra incêndio, com três lados expostos, com uma

laje de concreto ou laje com fôrma de aço incorporada no quarto lado: 1,15.

O fator de correção para distribuição de temperatura não-uniforme ao longo do

comprimento da barra fletida tem os seguintes valores:

87

- Nos apoios de uma viga estaticamente indeterminada: 1,15;

- Em todos os outros casos: 1,00.

7.5.2 Flambagem local da mesa (FLM) e Flambagem local da

alma (FLA)

Segundo a NBR 14323 (2003), a verificação quanto a FLM e FLA deve seguir as

seguintes condições:

Para , tem-se:

Para , tem-se:

*

+

Para , tem-se:

Quanto a FLT, a NBR 14323 (2003) estabelece as seguintes condições:

Para , tem-se:

Para , tem-se:

88

*

+

Para , tem-se:

Sendo:

: Momento resistente de cálculo em situação de incêndio;

: Momento fletor de flambagem elástica à temperatura ambiente, obtido de

acordo com a NBR 8800 (2008);

: Momento de plastificação da seção transversal a temperatura ambiente;

: Momento fletor correspondente ao inicio do escoamento da seção transversal

para projeto à temperatura ambiente, obtido de acordo com a NBR 8800 (2008);

: Fator de modificação para diagrama de momento fletor não uniforme, obtido de

acordo com a NBR 8800 (2008).

7.6 VERIFICAÇÃO QUANTO AO ESFORÇO CORTANTE PARA OS

ESTADOS LIMITES ÚLTIMOS

A verificação quanto ao esforço cortante em almas de perfis “I, H, U” e caixão,

fletidos em relação ao eixo perpendicular a alma, em situação de incêndio, deve

obedecer às seguintes condições, segundo a NBR 14323 (2003).

Para , tem-se:

Para , tem-se:

89

Para , tem-se:

(

)

Sendo:

: Esforço cortante resistente de cálculo em situação de incêndio.

: Parâmetro de esbeltez da alma, obtido de acordo com a NBR 8800 (2008);

: Parâmetro de esbeltez da alma correspondente a plastificação, obtido de acordo

com a NBR 8800 (2008);

: Parâmetro de esbeltez da alma correspondente ao inicio do escoamento, obtido

de acordo com a NBR 8800 (2008);

: Força cortante correspondente a plastificação da alma por cisalhamento, obtido

de acordo com a NBR 8800 (2008);

: Fator de redução da resistência ao escoamento do aço à temperatura .

90

8 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE

INCÊNDIO COM UTILIZAÇÃO DE PROTEÇÃO TÉRMICA NBR 14323

(2003)

Para o dimensionamento das vigas de aço em situação de incêndio com uso de

proteção térmica, são utilizadas as mesmas equações e condições descritas no item

7, porém a temperatura atingida pelo aço ao final do TRRF será menor, tendo em

vista que o mesmo estará protegido por algum material que seja isolante térmico.

Segundo a NBR 14323 (2003) a temperatura atingida pelo aço com proteção térmica

é determinada de acordo com a equação 23 do item 5.6, sendo assim, os

coeficientes de redução de resistência do aço terão seus valores aumentados,

conforme item 7.3, favorecendo o dimensionamento das vigas metálicas e

permitindo que a peça estrutural resista a um tempo maior quando exposto a altas

temperaturas.

91

9 METODOLOGIA

9.1 TIPOS DE PESQUISA

Segundo Gil (2010) as pesquisas classificam-se de acordo com seu objetivo,

podendo ser exploratórias, descritivas ou explicativas.

As pesquisas exploratórias caracterizam-se pela consulta às bibliografias e

entrevistas às pessoas que dominam o assunto a ser abordado. Esse tipo de

pesquisa permite a familiarização com o tema, fazendo com que ao final do estudo

seja possível a obtenção do conhecimento e a elaboração de hipóteses e

conclusões.

As pesquisas descritivas podem ser elaboradas com a finalidade de relacionar

possíveis variáveis, tendo como objetivo a descrição das características de uma

população. Grande parte das pesquisas com ênfase profissional se enquadra nessa

classificação.

As pesquisas explicativas têm como objetivo explicar os fatores que contribuem para

tal fenômeno. Esse tipo de pesquisa são as que mais se aprofundam no

conhecimento, pois são feitas com intuito de explicar a razão, o porquê das coisas.

No trabalho em questão, a pesquisa será descritiva e exploratória, tendo como

suporte para alcançar os resultados almejados à pesquisa bibliográfica, pesquisa de

campo, pesquisa documental, entrevista informal e a observação participante.

Dentre a bibliografia a ser consultada, estão livros de autores consagrados na área

de estruturas metálicas em situação de incêndio, como Valdir Pignatta e Fábio

Pannonipor exemplo. Além da literatura disponível, o referencial teórico também

será baseado em duas normas técnicas imprescindíveis para elaboração do

trabalho, que são a NBR 8800 (2008) que diz respeito ao dimensionamento de

estruturas metálicas em situação convencional e a NBR 14323 (2003) – Projeto de

Revisão, que preconiza o dimensionamento de estruturas metálicas e mistas em

situação de incêndio.

92

9.2 PROCEDIMENTOS TÉCNICOS

Os procedimentos realizados no trabalho em questão obedecerão à seguinte

seqüência:

- Estudar as normas técnicas nacionais referentes a projeto de estruturas metálicas

em situação convencional (temperatura ambiente) e em situação de incêndio;

- Estudar e pesquisar os assuntos pertinentes ao trabalho em livros técnicos,

trabalhos acadêmicos, artigos, sites e consulta à profissionais que atuam na área,

contribuindo de alguma forma para a evolução do estudo;

- Elaborar projeto em software AutoCAD® para realização do estudo de caso (projeto

de um edifício residencial de 04 pavimentos construído em estrutura metálica).

- Selecionar as vigas que serão verificadas e dimensionadas, bem como o

levantamento das cargas que estarão atuando na edificação;

- Dimensionamento das vigas de aço em situação temperatura ambiente e situação

de temperatura elevada com utilização de planilhas de cálculo no Excel®;

- Escolha do tipo de proteção térmica e levantamento dos custos, avaliando as

vantagens e desvantagens de casa uma delas.

9.3 UNIVERSO E AMOSTRA

O universo definido para a pesquisa de campo será formada por um projeto de um

edifício residencial estruturado em perfis de aço de seção “I” e “H”, sendo este último

preenchido em seu núcleo por em alvenaria de blocos e concreto armado, estando

presente para compor o projeto, mas não sendo objeto de estudo.

A amostra será formada pelas vigas metálicas dos pavimentos tipo, elementos

estruturais que serão biapoiados e submetidos a esforços cortantes e momentos

fletores, sendo as ligações vigas-pilares confeccionadas via cantoneiras

parafusadas. Essas vigas serão dimensionadas tanto em temperatura ambiente

como em situação de incêndio, levando em consideração as proteções térmicas

utilizadas.

93

9.4 COLETA DE DADOS

Os dados necessários à elaboração do trabalho serão coletados através de:

- Pesquisa bibliográfica em livros, artigos, trabalhos, normas, sites e consulta a

profissionais que atuam na área;

- Projeto arquitetônico elaborado pelos componentes do grupo;

- Resultados obtidos através de planilhas de cálculo no Excel®;

- Escolha das proteções térmicas e pesquisa de preço junto às empresas do ramo;

- Comparação dos resultados obtidos.

94

10 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS COLETADOS

10.1 INTRODUÇÃO AO PROJETO

O trabalho em questão toma como referência o projeto de um edifício residencial de

04 pavimentos, sendo sua estrutura constituída por perfis de aço de seção „I‟ (vigas)

e seção „H‟ (pilares). Como o foco do trabalho está voltado para a análise das vigas

metálicas dos pavimentos tipo, as mesmas foram dimensionadas tanto para

temperatura ambiente, quanto para situação de incêndio, sendo um total de 6 vigas

diferentes, no qual uma delas não necessitará de verificação em situação de

incêndio, pois devido às disposições construtivas, a mesma estará protegida por

uma parede de alvenaria.

Com relação às proteções térmicas utilizadas, foram escolhidas cinco alternativas,

sendo elas: argamassa projetada, tinta intumescente, placa de gesso acartonado,

placas de lã de rocha e manta fibrocerâmica. As espessuras das proteções foram

baseadas em padrões comerciais encontrados no mercado, sendo utilizadas

inicialmente no dimensionamento as espessuras mínimas. Quanto às características

dos materiais, como massa específica, condutividade térmica e calor específico

foram adotados como referências os catálogos dos fabricantes e as literaturas

pertinentes ao assunto, conforme indicado abaixo na tabela 5.

Tabela 5: Características das proteções térmicas

Proteção Contra Incêndio

Calor Específico

Massa Específica

Condutividade Térmica

ARGAMASSA PROJETADA

1050 310 0,08

MANTA FIBROCERÂMICA

1130 128 0,087

PLACA DE GESSO ACARTONADO

1200 800 0,16

PLACA DE LÃ DE ROCHA 837,4 128 0,103


95

Para a determinação da espessura da tinta intumescente será feita a utilização da

carta de cobertura fornecida pelo fabricante, visto que a elevação de temperatura

mediante a utilização deste material deve ser obtida através de ensaios realizados

em laboratórios nacionais ou estrangeiros, de acordo com a norma brasileira

específica ou de acordo com a normatização ou especificação estrangeira, não

sendo possível o dimensionamento da espessura mediante a formulação utilizada

para as demais proteções, conforme a NBR 14323 (2003).

Além da variação dos tipos de proteções térmicas utilizadas, também foram feitas

variações nos tipos de aço, adotando-se os mais utilizados em estruturas

convencionais e encontrados facilmente no mercado local, sendo eles o MR 250

(correspondente ao ASTM A36) e o AR 350. A tabela 6 abaixo indica o módulo de

elasticidade e as tensões de escoamento ( ),última ( ) e residual ( ) dos

respectivos aços contemplados no dimensionamento.Com relação às bitolas dos

perfis adotados, o cálculo foi baseado na tabela de perfis da Açominas,

disponibilizada facilmente no site do fabricante.

Tabela 6: Características dos aços utilizados

Tipo de Aço

MR 250 20000 25 40 7,5

AR 350 20000 35 45 10,5

Fonte: Tabela de barras e perfis da Gerdau, 2013

Outro tópico importante de ressaltar antes do dimensionamento das vigas do projeto

é a classificação da edificação com relação ao Tempo Requerido de Resistência ao

Fogo (TRRF) e os critérios de isenção da verificação e dimensionamento da

estrutura em situação de incêndio. Conforme a tabela 6 do item 5.3 a edificação se

caracteriza como residencial e possui uma altura entre 6 e 12 metros, sendo

enquadrada na faixa que corresponde a um TRRF de 30 minutos. Já com relação à

isenção da verificação estrutural em situação de incêndio conforme NBR 14432

(2000) a edificação estudada não se enquadra nos critérios da tabela 8 do item 5.8,

96

tendo uma área computável de 760,96m², portanto será necessária a verificação

estrutural em situação de incêndio.

10.2 RESTRIÇÕES DE PROJETO

Para o dimensionamento das vigas do projeto em questão, foram necessárias

algumas restrições, sendo elas:

- As vigas de aço serão todas constituídas por perfis laminados de seção „I‟ com

carregamento uniformemente distribuído ao longo de seu comprimento, sendo

dimensionadas apenas as vigas dos pavimentos tipos;

- As referidas vigas serão travadas continuamente ao longo de seu comprimento por

conectores de cisalhamento junto à laje, do exposto, não ocorrerão a Flambagem

lateral por torção e a possibilidade de calcular a viga como viga mista;

- As ligações dessas vigas com os pilares serão feitas via cantoneiras soldadas na

alma do perfil e parafusadas na mesa dos pilares, deixando um espaçamento de 10

mm entre a face da viga e a face do pilar, para que em caso de dilatação e

movimentação a estrutura possa trabalhar sem ocasionar sérios danos à edificação,

sendo assim, as ligações serão consideradas como articuladas (flexíveis);

- Nas vigas do projeto não haverá a existência de cargas concentradas sobre a

mesa do perfil, haja vista que nas ligações existentes entre viga/pilar (admitidas

flexíveis), as reações de apoio são transmitidas diretamente sobre a alma do perfil

(gerando cisalhamento). Portanto, não haverá necessidade de adotar enrijecedores

de apoio a essas vigas;

- Caso uma determinada viga não resista no critério de verificação quanto ao esforço

cortante, a mesma deverá ser verificada novamente adotando-se um perfil

imediatamente mais pesado, ou seja, não será considerada a utilização de

enrijecedores intermediários nesses elementos estruturais;

97

- Na verificação das vigas em situação de incêndio, o perfil adotado será o mesmo

que foi aprovado em temperatura ambiente, no qual deve ser observada a

viabilidade econômica na escolha do perfil, sendo feita apenas as variações de

proteções térmicas, sabendo que o TRRF é de 30 minutos;

- Na verificação quanto ao estado limite de utilização no que se refere à flecha

excessiva, caso a deformação seja maior que a permitida por norma, poderá ser

utilizada o recurso de contra-flecha no perfil adotado;

- No dimensionamento das vigas não será considerada a verificação com relação às

cargas de vento.

10.3 CARREGAMENTOS UTILIZADOS NO DIMENSIONAMENTO

No projeto utilizado para a realização do trabalho foram considerados os seguintes

carregamentos, conforme NBR 6120 (1980):

Laje pré-moldada treliçada preenchida por EPS (isopor), possuindo

capeamento de concreto armado, totalizando um carregamento de 1,98

KN/m². Segundo a tabela do fabricante a laje possui 12 cm de altura, sendo 8

cm da vigota e 4 cm do capeamento de concreto armado. Esse tipo de laje

pode vencer vãos de 3,20 a 5,10 metros, suportando sobrecargas de 100 a

1000 Kgf/m². A figura 39 abaixo ilustra o tipo de laje adotada do projeto;

Figura 40: Laje pré-moldada de EPS (isopor)

Fonte: Dimacol, 2013

98

Paredes em alvenaria de blocos cerâmicos executadas na espessura de 15

cm e com um peso específico de 13,0 KN/m³;

Contra piso em argamassa de cimento e areia na espessura de 5cm, tendo

um peso específico de 21,0 KN/m³;

Revestimento cerâmico com espessura de 10 mm em todo pavimento tendo

um peso específico de 18,0 KN/m³;

Forro de gesso no teto com peso próprio por superfície de 0,3 KN/m²;

Sobrecarga de uso e ocupação com carregamento de 2,0 KN/m², conforme

faixa de edificações residenciais da NBR 6120 (1980).

99

10.4 PROJETO ARQUITETÔNICO

Figura 41: Planta baixa pavimento tipo


100

O projeto será composto de 04 pavimentos, sendo um térreo com garagem e mais

03 pavimentos tipos com dois apartamentos por pavimento, conforme ilustrado na

figura 41 acima.

10.5 DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS SEGUNDO NBR 8800 (2008)

A figura 42 abaixo ilustra uma planta esquemática das vigas do projeto. O

dimensionamento das vigas de aço foi realizado com a utilização de planilhas de

cálculo elaboradas através do software Excel® conforme figura 43.

Figura 42: Planta esquemática das vigas do projeto


101

Fig

ura

43:

Inte

rface d

a p

lanilh

a d

e c

álc

ulo

utiliz

ad

a n

o d

imensio

nam

ento

das v

igas d

e a

ço

Fon

te:

Dad

os p

rim

ári

os, 2

013

102

A faixa de influência dos carregamentos nas vigas serão consideradas conforme

figura 44 abaixo, onde o carregamento das lajes será dividido somente para as vigas

principais (maiores), devido ao fato de que as lajes são armadas em apenas uma

direção (comprimento maior que duas vezes a largura), já com relação as vigas de

borda, como as mesmas não recebem diretamente o carregamento da laje admite-

se que essas peças possuam a função de resistiremas cargas de parede (vedação

externa) e proporcionarem maior rigidez ao pórtico.

Figura 44: Planta esquemática - Faixa de influência das vigas


10.5.1 Viga 1

A viga 1 é uma viga biapoiada medindo 3,60 m de comprimento, sendo um total de

12 peças iguais, pois são simétricas em relação ao eixo vertical da planta baixa do

pavimento tipo (conforme figura 39). O carregamento atuante na viga 1 é inerente ao

peso próprio da parede de alvenaria construída sobre ela, cujo o valor é 5,38 KN/m.

No quadro 11 abaixo, seguem os parâmetros obtidos no dimensionamento em

temperatura ambiente, conforme NBR 8800 (2008). Como o carregamento na viga é

103

muito baixo, a menor bitola da tabela de perfis comerciais é suficiente para atender

aos esforços solicitantes.

Quadro 11: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 1 para temperatura ambiente


10.5.2 Viga 2


12 peças iguais, pois são simétricas em relação ao eixo vertical da planta baixado

pavimento tipo (conforme figura 39).A viga 2 é a viga menos solicitada do projeto,

pois suporta apenas seu peso próprio. No quadro 12 abaixo, seguem os parâmetros

obtidos no dimensionamento em temperatura ambiente, conforme NBR 8800 (2008).

MR 250 AR 350

Perfil W 150x13 W 150x13

q (KN/m) 7,695 7,695

L (m) 3,6 3,6

MSd (KN.m) 12,465 12,465

MRd (KN.m) 21,91 29,89

ia - Momento (%) 56,89% 41,70%

VSd (KN) 13,85 13,85

VRd (KN) 86,78 121,49

Flecha (cm) 0,926 0,926

Flecha Limite (cm) 1,03 1,03

Contra Flecha (cm) 0 0

Tipos de Aço

VIGA 1 - Temperatura Ambiente

Parâmetros

104



10.5.3 Viga 3


12 peças iguais, pois são simétricas em relação ao eixo vertical da planta baixa do

pavimento tipo (conforme figura 39). O carregamento atuante na viga 3 é inerente ao

peso próprio da parede de alvenaria construída sobre ela, cujo o valor é 5,46 KN/m.

No quadro13 abaixo, seguem os parâmetros obtidos no dimensionamento em

temperatura ambiente, conforme NBR 8800 (2008). Assim como as vigas 1 e 2, o

carregamento na viga 3 é muito baixo, portanto a menor bitola da tabela de perfis

comerciais é suficiente para atender aos esforços solicitantes.

MR 250 AR 350


q (KN/m) 0,163 0,163

L (m) 2,9 2,9

MSd (KN.m) 0,171 0,171

MRd (KN.m) 21,91 29,89

ia - Momento (%) 0,78% 0,57%

VSd (KN) 0,236 0,236

VRd (KN) 86,78 121,49

Flecha (cm) 0,009 0,009




ParâmetrosTipos de Aço

105



10.5.4 Viga 4

A viga 4 é uma viga de borda biapoiada medindo 8,40 m de comprimento, sendo um

total de 8 peças iguais. Os carregamentos atuantes na viga 4 são relativos às cargas

permanentes das paredes de alvenaria (9,09 KN/m), da laje pré-moldada (3,56

KN/m), do contrapiso em argamassa de cimento e areia (1,89 KN/m), do

revestimento cerâmico com espessura de 1 cm (0,324 KN/m), do forro de gesso no

teto (0,54 KN/m) e à sobre carga de uso e ocupação (carga variável),cujo o valor é

3,60 KN/m. No quadro 14 abaixo, seguem os parâmetros obtidos no

dimensionamento em temperatura ambiente, conforme NBR 8800 (2008).

MR 250 AR 350


q (KN/m) 7,807 7,807

L (m) 2,825 2,825

MSd (KN.m) 7,788 7,788

MRd (KN.m) 21,91 29,89

ia - Momento (%) 35,55% 26,06%

VSd (KN) 11,027 11,027

VRd (KN) 86,78 121,49

Flecha (cm) 0,356 0,356





106



10.5.5 Viga 5

A viga 5 é uma viga biapoiada medindo 8,40 m de comprimento, sendo um total de 8

peças iguais. Os carregamentos atuantes na viga 5 são inerentes às cargas




teto (0,98 KN/m) e à sobre carga de uso e ocupação (carga variável), cujo o valor é

6,50 KN/m. Na quadro 15 abaixo, seguem os parâmetros obtidos no


MR 250 AR 350


q (KN/m) 27,727 27,527

L (m) 8,4 8,4

MSd (KN.m) 244,549 242,785

MRd (KN.m) 293,65 249,55

ia - Momento (%) 83,28% 97,29%

VSd (KN) 116,452 115,612

VRd (KN) 496,36 463,68

Flecha (cm) 2,417 5,016


Contra Flecha (cm) 0,917 3,516



107



10.5.6 Viga 6

A viga 6 é uma viga biapoiada medindo 8,40 m de comprimento, sendo um total de 8

peças iguais. Os carregamentos atuantes na viga 6 são relativos às cargas




teto (0,86 KN/m) e à sobre carga de uso e ocupação(carga variável), cujo o valor é

5,73 KN/m. No quadro 16 abaixo, seguem os parâmetros obtidos no


MR 250 AR 350


q (KN/m) 44,91 44,76

L (m) 8,4 8,4

MSd (KN.m) 396,106 394,783

MRd (KN.m) 399,08 411,11

ia - Momento (%) 99,25% 96,03%

VSd (KN) 188,622 187,992

VRd (KN) 643,09 694,91

Flecha (cm) 2,506 3,89



Parâmetros


Tipos de Aço

108



10.5.7 Padronização das vigas

Conforme mostrado nas tabelas acima referentes às vigas 4. 5 e 6, para um mesmo

tipo de aço tem-se três perfis diferentes. No entanto, para efeitos de padronização e

maior facilidade de aquisição dos perfis no mercado, será adotado para essas vigas,

a seção mais robusta em termos de peso, pois mediante a análise no

dimensionamento, sabe-se que esse perfil atenderá às solicitações de cálculo tanto

da viga menos carregada (viga 4), quanto da mais carregada (viga 5). Do exposto, o

resumo dos perfis adotados para as vigas do projeto em epígrafe encontra-se abaixo

no quadro 17.

MR 250 AR 350


q (KN/m) 38,621 38,446

L (m) 8,4 8,4

MSd (KN.m) 340,638 339,095

MRd (KN.m) 354,09 348,69

ia - Momento (%) 96,20% 97,25%

VSd (KN) 162,209 161,474

VRd (KN) 637,16 652,91

Flecha (cm) 2,463 4,01





109

Quadro 17: Resumo das vigas de aço utilizadas nos pavimentos tipo


Nota-se que para o aço mais resistente, AR 350 a redução de peso em relação ao

aço de menor resistência (MR 250) foi de 1.814,40 Kg, ou seja, 14,70%.

10.6 DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS SEGUNDO NBR 14323 (2003)

Admitindo-se as vigas dimensionadas em temperatura ambiente conforme item 10.5,

realizou-se à posterior verificação em situação de incêndio das mesmas, na qual

consistiu em avaliar se essas vigas adotadas no projeto suportariam os esforços

solicitantes em situação de temperatura elevada durante o TRRF (30 minutos).

Como nenhuma viga atendeu às solicitações em situação, tornou-se necessária a

utilização de tipos de sistema de proteção passivos, sendo adotados aqueles

descritos no item 10.1, (argamassa projetada, manta fibrocerâmica, placas de lã de

rocha, placas de gesso acartonado e tinta intumescente).

PerfilPeso

(Kg/m)

Peso Total

(Kg)Perfil

Peso

(Kg/m)

Peso Total

(Kg)

Viga 1 12 3,60 W 150x13 13 561,60 W 150x13 13 561,60

Viga 2 12 2,90 W 150x13 13 452,40 W 150x13 13 452,40

Viga 3 12 2,83 W 150x13 13 440,70 W 150x13 13 440,70

Viga 4 6 8,40 W 530x72 72 3628,80 W 460x60 60 3024,00

Viga 5 6 8,40 W 530x72 72 3628,80 W 460x60 60 3024,00

Viga 6 6 8,40 W 530x72 72 3628,80 W 460x60 60 3024,00

Total

Geral (Kg) 12.341,10

Total

Geral (Kg)10.526,70

RESUMO DAS VIGAS DOS PAVIMENTOS TIPO

Vão (m)Qtd.Vigas

Tipos de Aços

MR 250 AR 350

110

Com relação às espessuras dos revestimentos de proteção térmica adotados,

devido à formulação matemática para determinação da temperatura do aço consistir

em um método interativo, deve-se estimar inicialmente uma espessura desejada. Do

exposto, no dimensionamento das vigas do projeto, foram consideradas inicialmente

as menores espessuras fornecidas nos catálogos dos fabricantes e encontradas

com facilidade no mercado nacional.

Outro fato importante a ser contemplado no dimensionamento é a condição de

exposição ao fogo das vigas do sistema estrutural, pois essa configuração influencia

diretamente no fator de massividade e na área a ser revestida com material de

proteção térmica. A figura 45 abaixo indica como as vigas estarão expostas em caso

de ocorrência de incêndio.

Figura 45: Ilustração esquemática mostrando como as vigas estarão expostas ao fogo


Com relação à viga 2, esta possui uma certa particularidade, pois constata-se que a

mesma não precisará receber nenhum tipo de sistema de proteção contra

temperaturas elevadas, haja vista que devido às disposições construtivas, existirá

uma parede de alvenaria alinhada com a face interna da viga que funcionará como

uma barreira, impedindo que a temperatura se eleve bruscamente conforme mostra

a figura 46. Segundo a NT 09-2010 do CBMES, para uma parede de alvenaria de

blocos cerâmicos, conforme o projeto, um revestimento em argamassa de cimento,

cal e areia no traço 1:2:9 com 1,5 de espessura, resiste à aproximadamente 2 h de

exposição ao fogo, sendo suficiente o bastante para proteger a viga 2 em situação

de elevação de temperatura, lembrando que o TRRF do projeto é de 30 minutos.

111

Figura 46: Ilustração esquemática mostrando a parede como barreira para a viga 2 Fonte: Dados primários, 2013

Os quadros abaixo, 18 e 19, mostram os resultados obtidos no dimensionamento

das vigas do projeto em situação de incêndio, sendo indicado também o quantitativo

total de áreas de proteção para cada tipo de viga e o tipo de aço utilizado. Para o

levantamento das áreas das vigas a serem protegidas, multiplicou-se o perímetro do

revestimento do sistema de proteção pelo comprimento da peça, podendo ser

notado que as espessuras adotadas para as proteções térmicas foram todas iguais,

pois de acordo com as solicitações do projeto, as menores espessuras verificadas já

foram suficientes para garantir a devida proteção contra elevação de temperatura,

para um TRRF de 30 min. Com relação à tinta intumescente, a espessura foi obtida

através da carta de cobertura, como dito anteriormente no item 10.1.

112

Quadro 18: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 1, 3 e 4 em situação de incêndio


Quadro 19: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 5 e 6 em situação de incêndio


Depois de concluído o dimensionamento de cada viga em situação de incêndio, foi

levantado o quantitativo de área total de vigas a serem protegidas em função do tipo

de proteção, se é contorno (argamassa projetada, manta fibrocerâmica e tinta

intumescente) ou caixão (placas de lã de rocha e de gesso acartonado), conforme

quadro 20. Pode-se notar que quando é utilizado um aço mais resistente, a área de

proteção tende a diminuir, pois as seções dos perfis foram menos robustas.

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Argamassa

Projetada10 10,71 10 10,71 10 8,41 10 8,41 10 36,84 10 30,64

Manta

Fibrocerâmica6 10,71 6 10,71 6 8,41 6 8,41 6 36,84 6 30,64

Placas de Lã de

Rocha25 6,39 25 6,39 25 5,02 25 5,02 25 26,41 25 22,93

Placas de Gesso

Acartonado12,5 6,39 12,5 6,39 12,5 5,02 12,5 5,02 12,5 26,41 12,5 22,93

Tinta

Intumescente0,32 10,71 0,32 10,71 0,32 8,41 0,32 8,41 0,2 36,84 0,2 30,64

Tipos de

Proteções

Dimensionadas

RESULTADOSVIGA 1 VIGA 3 VIGA 4

AR 350 MR 250 AR 350 MR 250 AR 350

Tipos de Aços Tipos de Aços Tipos de Aços

MR 250

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Espessura

(mm)

Área

(m²)

Argamassa

Projetada10 73,68 10 61,29 10 73,68 10 61,29

Manta

Fibrocerâmica6 73,68 6 61,29 6 73,68 6 61,29

Placas de Lã de

Rocha25 52,82 25 45,86 25 52,82 25 45,86

Placas de Gesso

Acartonado12,5 52,82 12,5 45,86 12,5 52,82 12,5 45,86

Tinta

Intumescente0,32 73,68 0,32 61,29 0,32 73,68 0,32 61,29

Tipos de

Proteções

Dimensionadas

RESULTADOS

AR 350

VIGA 5 VIGA 6

Tipos de Aços Tipos de Aços

MR 250 AR 350 MR 250

113

Quadro 20: Quantitativo de áreas para proteções térmicas nas vigas


10.7 LEVANTAMENTO DOS CUSTOS

Depois de levantado todo o quantitativo de áreas e tipos de proteções térmicas, foi

realizada uma pesquisa de mercado junto às empresas do ramo para cotação dos

preços, sendo que a argamassa projetada e a tinta intumescente são materiais

fornecidos e aplicados por empresas de São Paulo - SP, no qual acrescentaram em

seu custo o valor da mobilização e deslocamento, visto que o projeto foi baseado em

uma região da Grande Vitória - ES. Com relação ao aço, foi considerada uma

estimativa de custo por quilo, contemplando fornecimento e montagem. A pesquisa

foi efetuada tanto junto a empresas de montagem de estruturas para levantamento

de despesas com mão de obra, quanto junto a distribuidores, para orçamento de

material.

O orçamento foi baseado na possibilidade das vigas serem todas fabricadas em aço

MR 250 e também na hipótese de serem todas confeccionadas em aço AR 350,

obtendo-se assim variação no custo e no peso próprio da estrutura, sendo um dos

objetos de comparação e avaliação do projeto em estudo. A tabela 7 abaixo indica

os custos das proteções térmicas caso as vigas fossem executadas em aço MR 250

ou AR 350.

Argamassa Projetada

Manta Fibrocerâmica

Placas de Lã de Rocha

Placas de Gesso

Acartonado

Tinta Intumescente

203,32 172,34

203,32 172,34

RESUMO DE PROTEÇÕES DAS VIGAS

Tipos de Proteções

Dimensionadas

Tipos de Aços

MR 250 AR 350

Área Total (m²) Área Total (m²)

203,32 172,34

143,46 126,06

143,46 126,06

114

Tabela 7: Planilha orçamentária de proteções térmicas para vigas em aço MR 250 e AR 350


O quadro 21 abaixo indica os custos para o fornecimento e montagem das vigas

metálicas do projeto, variando em função do tipo de aço.

Quadro 21: Planilha orçamentária para fornecimento e instalação das vigas metálicas


ITEM DESCRIÇÃO UND. QUANT. VALOR UNIT. VALOR (R$)

1Fornecimento e aplicação para

o Aço MR 250m² 203,32 80,87R$ 16.442,49R$


o Aço AR 350m² 172,34 80,87R$ 13.937,14R$


o Aço MR 250m² 203,32 124,11R$ 25.234,05R$


o Aço AR 350m² 172,34 124,11R$ 21.389,12R$


o Aço MR 250m² 143,46 142,60R$ 20.457,40R$


o Aço AR 350m² 126,06 142,60R$ 17.976,16R$


o Aço MR 250m² 143,46 139,93R$ 20.074,36R$


o Aço AR 350m² 126,06 139,93R$ 17.639,58R$


o Aço MR 250m² 203,32 89,78R$ 18.254,07R$


o Aço AR 350m² 172,34 89,78R$ 15.472,69R$

TINTA INTUMESCENTE

Planilha Orçamentária - Proteções Térmicas

ARGAMASSA PROJETADA

PLACAS DE LÃ DE ROCHA

PLACAS DE GESSO ACARTONADO


Descrição Unid. Quant. Valor Unit. Valor Total

Vigas de aço MR 250 kg 12.341,10 11,63R$ 143.526,99R$

Vigas de aço AR 350 kg 10.526,70 12,12R$ 127.583,60R$

115

Fazendo-se a associação dos custos para fornecimento e instalação das proteções

térmicas e os custos para fornecimento e montagem das vigas metálicas, têm-se a

tabela 8 abaixo, a qual também pode ser ilustrada no histograma do apêndice B,

diferentemente da tabela 7 que faz referência apenas aos revestimentos de proteção

térmica separadamente.

Tabela 8: Planilha orçamentária de proteções térmicas, incluindo fornecimento e instalação das vigas – aço MR 250 e AR 350


ITEM DESCRIÇÃO VALOR (R$)

1 Vigas do projeto com proteção térmica - MR 250 159.969,48R$

2 Vigas do projeto com proteção térmica - AR 350 141.520,74R$









Planilha Orçamentária - Proteções Térmicas com aço incluso

ARGAMASSA PROJETADA


PLACAS DE LÃ DE ROCHA

PLACAS DE GESSO ACARTONADO

TINTA INTUMESCENTE

116

11 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Baseado no dimensionamento das vigas metálicas de um edifício residencial de 04

pavimentos hipoteticamente construído na Grande Vitória – ES, e na escolha dos

revestimentos de proteção térmica utilizados para a proteção do aço em situação de

incêndio, o presente estudo apresentará a análise comparativa entre a diferença de

peso e custo quando utilizados os aços MR 250 e o AR 350, e principalmente a

avaliação econômica e técnica das proteções escolhidas.

Primeiramente, com relação ao tipo de aço utilizado no dimensionamento das vigas,

observou-se uma redução no peso de 1.814,40 Kg, ou seja, quando utilizado o aço

AR 350, o peso da estrutura foi reduzido em 14,70%, além de contribuir para a

redução da área a ser revestida com proteção térmica, pois a utilização desse tipo

de aço se comparado com o aço comum (MR 250), proporciona perfis com alturas

menores no dimensionamento, já que possuem maior resistência ao escoamento e

ruptura. Já com relação ao custo por quilo desse tipo de aço, no mercado encontra-

se um preço médio de aproximadamente R$ 4,12 (quatro reais e doze centavos),

variando em função da quantidade a ser adquirida, já o aço MR 250 custa em média

R$ 3,63 (três reais e sessenta e três centavos).Do exposto, apesar de o aço AR 350

possuir um custo unitário maior que o MR 250, no custo total das vigas dos

pavimentos tipo sua utilização seria mais viável, pois ficaria 11,11% menos

dispendioso que o aço comum, fato que pode ser observado na tabela 32 do item

10.7.

Com relação às proteções térmicas consideradas no dimensionamento, observou-se

que realmente a argamassa projetada e a tinta intumescente possuem um menor

custo, visto que são os dois materiais de maior aplicação no mercado atual. Porém é

plausível que também seja feita uma análise técnica apurada de cada proteção

térmica, não levando em consideração apenas o custo final, mas o ganho no

decorrer da vida útil da obra com relação à aplicação, estética, durabilidade e

facilidade de manutenção.

117

No quesito aplicação, a argamassa projetada proporciona uma execução

relativamente rápida, se comparado com os outros tipos de proteção, porém pode

ocasionar em uma obra suja e com desperdícios, devido ao tipo de material e

método utilizado na aplicação. Os materias tais como lã de rocha, gesso acartonado

e manta fibrocerâmica são materiais de aplicação lenta, sendo necessária a

soldagem de pinos metálicos na estrutura para sua fixação, ocasionando em um

acréscimo relevante no período de execução da obra e gerando um alto índice de

perdas, mediante o grande número de cortes, visto que o tamanho das placas

respeitam padrões pré-existentes e encontrados no mercado. Com relação à tinta

intumescente, apesar de proporcionar uma estética agradável, uma obra limpa e

com poucas perdas, pode exigir um prazo entre demãos relativamente alto, e

cuidado especial com relação ao acabamento, caso a estrutura fique exposta ao

ambiente.

No que tange a preparação do substrato, para a aplicação da argamassa projetada

pode ser necessário a fixação de tela deployer na alma do perfil para melhor

aderência do material à viga, pois quanto maior o TRRF, maior será a espessura

utilizada, e consequentemente maior será a dificuldade de a argamassa aderir à

superfície a ser protegida. Para aplicação da pintura intumescente, basta que a

superfície a ser pintada esteja isenta de ferrugens, poeiras, óleos ou graxas,

podendo ser aplicada tanto por sistema de ar comprimido como manualmente

através de pincéis ou rolos. No que diz respeito às proteções tipo caixão, que são as

placas de gesso acartonado e as placas de lã de rocha, estas não terão contato

direto com a superfície da viga, pois serão fixadas diretamente nos pinos metálicos,

devendo o aplicador se atentar para a perfeita vedação das junções entre as placas

e para a possibilidade de abalos mecânicos, visto que são materiais que

proporcionam alta fragilidade à impactos.Com relação à manta fibrocerâmica,

durante sua aplicação a superfície deve se apresentar isenta de interferências que

possam ocasionar danos ao material, por se tratar de uma película frágil, podendo

sofrer rasgos e furos no decorrer de sua aplicação.

No critério de controle das espessuras, as placas de gesso acartonado, lã de rocha

e manta fibrocerâmica, proporcionam a vantagem de serem materiais com

118

espessuras pré-definidas, já encontradas prontas no mercado, não sendo

necessário o controle “in loco”, como a argamassa projetada e a tinta intumescente.

Fato importante de ser comentado também é o conforto visual e a estética da

edificação, visto que os materiais de proteção térmica são materiais de aspecto

rústico e não recomendado para aplicações externas ou expostas ao ambiente,

exceto a pintura intumescente, no qual trata-se de um material que proporciona um

aspecto agradável e semelhante a uma pintura convencional utilizada em estruturas

metálicas.

Com relação à logística e a disponibilidade dos materiais no mercado local, para a

argamassa projetada e a tinta intumescente, existe uma dificuldade de aquisição do

serviço, pois o fornecimento e aplicação destas proteções são realizadas por

empresas de outros Estados, sendo necessária a inclusão da mobilização nos

custos que compõem o orçamento, tornando-o mais oneroso, visto que o estudo em

questão foi baseado em uma edificação hipoteticamente construída na Grande

Vitória –ES, como já dito anteriormente.

No edifício analisado, com relação ao custo, a argamassa projetada foi a proteção

mais vantajosa, tendo um valor de R$ 13.937,00, considerando que as vigas serão

executadas em aço AR 350 (economicamente menos dispendioso) conforme

ilustrado no histograma do apêndice A. No entanto a diferença da argamassa para a

pintura intumescente foi de apenas R$ 1.535,55, valor que corresponde 1,07% do

valor total das vigas protegidas com tinta, mostrando que esse tipo de material vem

ganhando espaço no mercado de proteção passiva, ao contrario do que diz as

literaturas utilizadas na pesquisa, publicadas a algum tempo, que mostram a pintura

intumescente como o meio de proteção menos viável economicamente, se

comparado com as outras alternativas. Portanto conclui-se que para escolha da

proteção passiva do projeto em questão, apesar de não ser a alternativa com menor

custo, a pintura intumescente seria a opção mais indicada, visto que este sistema

proporcionaria um melhor acabamento final, facilidade de aplicação, manutenção e

limpeza na obra.

Para aprimoramento e prosseguimento dos estudos apresentados neste trabalho,

seguem algumas sugestões, tais como:

119

a) Dimensionamento estrutural contemplando todas as partes do edifício, tais

como, pilares, contraventamento, placas de bases e blocos de fundações,

continuando com a ideia comparativa entre os dois tipos de aço propostos no

trabalho.

b) Dimensionar a estrutura em situação de incêndio para diferentes tipos de

TRRF, fazendo uma analise comparativa quanto às espessuras das

proteções térmicas utilizadas.

c) Dimensionar a estrutura baseando-se na atualização da NBR 14323, no qual

foi revalidada em setembro de 2013.

120

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125

APÊNDICES

126

APÊNDICE A - Histograma comparativo do valor das proteções térmicas com

relação ao tipo de aço (MR 250 ou AR 350) utilizado no projeto.

Figura 47: Histograma comparativo do valor das proteções térmicas com relação ao tipo de aço (MR 250 ou AR 350) utilizado

no projeto.


0,00

5.000,00

10.000,00

15.000,00

20.000,00

25.000,00

30.000,00

ArgamassaProjetada

MantaFibrocerâmica

Placas de Lãde Rocha

Placas deGesso

Acartonado

TintaIntumescente

Cu

sto

da

Pro

teçã

o (R

$)

Proteções Térmicas Aço MR 250

Aço AR 350

127

APÊNDICE B - Histograma comparativo do valor do aço (MR 250 ou AR 350)

revestido com proteção térmica.

Figura 48: Histograma comparativo do valor do aço (MR 250 ou AR 350) revestido com proteção térmica.


R$-

R$30.000,00

R$60.000,00

R$90.000,00

R$120.000,00

R$150.000,00

R$180.000,00

ArgamassaProjetada

MantaFibrocerâmica

Placas de Lãde Rocha

Placas deGesso

Acartonado

TintaIntumescente

Cu

sto

do

aço

co

m p

rote

ção

térm

ica

Proteções Térmicas Aço MR 250

Aço AR 350

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