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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
FELIPE GERÔNIMO COCO
GUSTAVO MUNIZ FERNANDES
DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE
INCÊNDIO E ANÁLISE DAS PROTEÇÕES TÉRMICAS
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
FELIPE GERÔNIMO COCO
GUSTAVO MUNIZ FERNANDES
DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE
INCÊNDIO E ANÁLISE DAS PROTEÇÕES TÉRMICAS
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
Quadro 12: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 2 para temperatura
ambiente..................................................................................................................104
Quadro 13: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 3 para temperatura
ambiente..................................................................................................................105
Quadro 14: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 4 para temperatura
ambiente..................................................................................................................106
Quadro 15: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 5 para temperatura
ambiente..................................................................................................................107
Quadro 16: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 6 para temperatura
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
Fonte: Dados primários, 2013
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
Fonte: Dados primários, 2013
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
Fonte: Dados primários, 2013
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”
Fonte: Dados primários, 2013
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
Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.145
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
Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos
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
Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos
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/m
2
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/m
2
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.
Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos
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
Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.140
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
Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.140
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
Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.139
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
Fonte: Pannoni, 2007, p.78
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
Fonte: Pannoni, 2007, p.82
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
Fonte: Dados primários, 2013
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
Fonte: Pannoni, 2013
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
Fonte: Pannoni, 2013
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
Fonte: Pannoni, 2013
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
Fonte: Pannoni, 2007, p.82
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”
Fonte: Dados primários, 2013
√
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TCC - Felipe Gerônimo e Gustavo Muniz

  • 1. 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
  • 2. FELIPE GERÔNIMO COCO GUSTAVO MUNIZ FERNANDES DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO E ANÁLISE DAS PROTEÇÕES TÉRMICAS 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
  • 3. FELIPE GERÔNIMO COCO GUSTAVO MUNIZ FERNANDES DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO E ANÁLISE DAS PROTEÇÕES TÉRMICAS 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
  • 4. 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.
  • 5. 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
  • 6. 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
  • 7. 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
  • 8. 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 Quadro 12: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 2 para temperatura ambiente..................................................................................................................104 Quadro 13: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 3 para temperatura ambiente..................................................................................................................105 Quadro 14: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 4 para temperatura ambiente..................................................................................................................106 Quadro 15: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 5 para temperatura ambiente..................................................................................................................107 Quadro 16: Parâmetros obtidos no dimensionamento da viga 6 para temperatura 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
  • 9. Quadro 21: Planilha orçamentária para fornecimento e instalação das vigas metálicas .................................................................................................................114
  • 10. 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
  • 11. 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
  • 12. 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
  • 13. 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
  • 14. 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
  • 15. 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.
  • 16. 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.
  • 17. 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.
  • 18. 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.
  • 19. 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
  • 20. 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).
  • 21. 19 Figura 6: Desenho esquemático Vigas Vierendeel Fonte: Dados primários, 2013 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
  • 22. 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 Fonte: Dados primários, 2013 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
  • 23. 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 Fonte: Dados primários, 2013 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. √
  • 24. 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” Fonte: Dados primários, 2013
  • 25. 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.
  • 26. 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).
  • 27. 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
  • 28. 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
  • 29. 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
  • 30. 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).
  • 31. 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.
  • 32. 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
  • 33. 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
  • 34. 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)
  • 35. 33 Figura 16: Modelo do gráfico de incêndio natural Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.145 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.
  • 36. 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
  • 37. 35 Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos 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
  • 38. 36 Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos 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/m 2 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/m 2 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
  • 39. 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. Grupo Ocupação/Uso Divisão Descrição Exemplos 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
  • 40. 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
  • 41. 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.
  • 42. 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)
  • 43. 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.
  • 44. 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.
  • 45. 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.
  • 46. 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.
  • 47. 45 Figura 19: Gráfico coeficiente de dilatação térmica x temperatura Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.140 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 :
  • 48. 46  Para :  Para : Figura 20: Gráfico calor específico x temperatura Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.140 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 :
  • 49. 47  Para : Figura 21: Gráfico condutividade térmica x temperatura Fonte: Seito, A. I. et al. 2008, p.139 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.
  • 50. 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”.
  • 51. 49 Figura 23: Fator de massividade de um perfil mediante diferentes tipos de exposição ao fogo Fonte: Pannoni, 2007, p.78 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
  • 52. 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 Fonte: Pannoni, 2007, p.82 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.
  • 53. 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 *( ) +
  • 54. 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.
  • 55. 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 Fonte: Dados primários, 2013 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.
  • 56. 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
  • 57. 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
  • 58. 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 Fonte: Pannoni, 2013 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
  • 59. 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.
  • 60. 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
  • 61. 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 Fonte: Pannoni, 2013 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)
  • 62. 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 Fonte: Pannoni, 2013 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
  • 63. 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.
  • 64. 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.
  • 65. 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.
  • 66. 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
  • 67. 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 Fonte: Pannoni, 2007, p.82 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
  • 68. 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.
  • 69. 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.
  • 70. 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
  • 71. 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).
  • 72. 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.
  • 73. 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.
  • 74. 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:
  • 75. 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.
  • 76. 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” Fonte: Dados primários, 2013 √