ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO FOGO DE VIGAS EM AÇO PROTEGIDAS COM TINTA INTUMESCENTE

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1 ENSAIOS DE RESISTÊNCIA AO FOGO DE VIGAS EM AÇO PROTEGIDAS COM TINTA INTUMESCENTE Mequita, L. M. R. 1 ; Piloto, P.A.G. 2 ; Vaz, M.A.P. 3 ; Vila Real, P.M.M. 4 1 Aitente, DMA-ESTIG, Intituto Politécnico de Bragança 2 Profeor Coordenador, DMA-ESTIG, Intituto Politécnico de Bragança 3 Profeor Aociado, DEMEGI FEUP, Univeridade do Porto 4 Profeor Catedrático, DEC, Univeridade de Aveiro RESUMO Uma viga em contrangimento laterai ubmetida a um carregamento mecânico e ujeita a um aumento de temeratura, or exemlo roveniente de um incêndio, ode atingir o colao elo fenómeno de intabilidade or encurvadura lateral torional, originado ela diminuição da caacidade reitente. Ete trabalho areenta o rocedimento exerimental e o enaio realizado ara a determinação da reitência ao fogo de viga de aço IPE1 rotegida com tinta intumecente. São analiada diferente eeura de rotecção ao fogo, verificando-e um aumento da temeratura crítica e do temo de reitência ao fogo com o aumento deta. Com bae no reultado exerimentai é areentada a evolução da condutividade térmica da tinta intumecente com a temeratura. 1- INTRODUÇÃO A etrutura de aço ão amlamente utilizada na contrução de edifício devido à ua elevada reitência mecânica, boa ductilidade e ráida execução da obra. No entanto, devido à deterioração da roriedade mecânica com a temeratura, é fundamental que toda a etrutura, e o eu elemento, ouam a reitência neceária ara revenir um eventual colao cauado ela ocorrência de um incêndio. A reitência do aço a temeratura elevada encontra-e definida com grande detalhe, endo conhecido que a 55 [ºC] o aço etrutural oui omente 6 % da ua caacidade reitente à temeratura ambiente. Etudo mai recente vieram demontrar que eta temeratura limite deende eencialmente de doi factore, a ditribuição da temeratura na ecção tranveral e o grau de utilização, definido elo carregamento e ela caacidade reitente, (Coru, 21). Um do método mai eficaze de dotar uma etrutura com a caacidade de reitência ao fogo retendida é roceder-e ao eu dimenionamento em a utilização de rotecção adicional, recorrendo à utilização de erfi de gama uerior, de aço de melhor qualidade ou de elevada reitência ao fogo. Em alternativa, é comum a alicação de itema de rotecção aiva, como o betão, laca de geo, fibra minerai ou tinta intumecente, dotando o elemento etruturai de uma rotecção ao fogo total ou arcial. A tinta intumecente ão materiai reactivo que reagem com a acção de um incêndio, originando um aumento de volume, tiicamente entre 4 a 5 veze, 129

2 ver a Fig 1, comortando-e como uma camada rotectora que reduz o aumento da temeratura no aço (Dowling, 23). Como vantagen notória detaca-e o menor eo introduzido na etrutura, em comaração com outra medida de rotecção, a ua alicação em etaleiro e a obtenção de um bom acabamento uerficial, que ode er melhorado com a alicação de filme decorativo. Por outro lado, a ua alicação exige uma elevada exeriência com um elevado controlo de qualidade e com medida de eeura frequente. Fig 1 - Reacção da tinta intumecente. O aquecimento do erfi rotegido é devido, eencialmente, ao modo de tranferência de calor or condução, já que o aço não e encontra directamente exoto à radiação do fogo ou em contacto com o eu gae, (Lewi, 2). A alicação de tinta intumecente como rotecção ao fogo é função da roriedade fíica e térmica do memo, do factor de maividade do elemento a roteger e do temo de reitência ao fogo retendido. O aumento do temo de reitência ao fogo ode er obtido com o aumento da eeura de rotecção ou, ara a mema eeura de rotecção, utilizando erfi de maividade inferior. 2 - EXIGÊNCIAS REGULAMENTARES DE RESISTÊNCIA AO FOGO O regulamento de egurança contra incêndio, como or exemlo o regulamento de egurança contra incêndio em edifício de habitação, (DL, 199), etabelecem que o elemento etruturai devem ouir uma reitência ao fogo uficiente ara limitar a ocorrência do colao durante a evacuação da eoa e o combate ao incêndio, deemenhando a altura do edifício um factor imortante na definição da clae de reitência ao fogo da etrutura. No edifício de habitação unifamiliare, o elemento etruturai que deemenham funçõe de uorte devem ouir uma reitência ao fogo de elo meno 3 minuto, ou eja, ter uma qualificação EF3, alvo quando contituído or materiai não combutívei. Para edifício de altura uerior a 9 [m], ma inferior a 28 [m], o elemento etruturai devem er da clae de reitência ao fogo EF6, e da clae EF9 ara edifício de altura uerior a 6 [m]. No cao de arque de etacionamento coberto, (DL, 1995), que ocuam uma arte do edifico, ode er exigível uma clae de reitência ao fogo de EF Cálculo da temeratura de elemento rotegido A Fig 2 rereenta o modelo unidimenional de tranferência de calor entre um elemento de aço rotegido or uma camada de iolamento, de eeura d, e o gae do incêndio. Tg Iolamento T(x,t) α = ρ c d x α = ρ c Aço Fig 2 Modelo unidimenional de tranferência de calor. O aumento de temeratura do elemento etrutural com rotecção ao fogo ode er calculado atravé da análie traniente da condução de calor no intumecente, exrea ela equação diferencial (1). 2 T ( x, t) 1 T ( x, t = ) 2 x α t d T (1) α rereenta a difuividade térmica da rotecção ( = / ρ c ), em que c 13

3 rereenta o calor eecífico da rotecção, a condutividade da rotecção e ρ a maa volúmica da rotecção. A olução da equação diferencial aa ela hiótee imlificativa da condição fronteira de Dirichlet na camada do intumecente em contacto com o gae do incêndio, T (, t) = Tg ( t). A evolução da temeratura é dada ela curva de incêndio adrão ISO834, ver a equação (2), aumindo-e que a temeratura na uerfície exterior da rotecção é igual à temeratura do gae do incêndio. ( 8t 1) [ C] T g = log1 + º (2) Wictröm (Wictröm, 1985) e Meline e Thoma (Meline, 1987) areentaram exreõe ditinta que ermitem o cálculo da temeratura em elemento com rotecção ao fogo. No entanto, Wong e Ghojel (Wong, 25) verificaram a exitência de uma elevada dicreância no reultado da dua oluçõe quando ão utilizado materiai de rotecção ao fogo de elevada denidade, como é o cao do betão. Segundo o EC3 (CEN ren , 23) o aumento da temeratura do aço com rotecção ao fogo, T, ode er calculado ela equação (3), a qual é baeada na olução de Wictröm. ( T T ) g S ( e φ 1 ) Tg TS = t 1 c d ρ φ + P A 1 3 (3) em que: c ρ d φ = c ρ ( P A) c e ρ rereentam o calor eecífico (J/Kg K) e a denidade (Kg/m 3 ) do aço, reectivamente, Tg o aumento da temeratura do gá ocorrido no intervalo t, T g e T ão a temeratura do gá e do aço, reectivamente (ºC) e P A o factor de maividade, erímetro/área da ecção tranveral, (m -1 ). A Fig 3 motra a evolução da temeratura de um erfil IPE1, com um factor de maividade igual a 387 [m -1 ], ubmetido à curva de incêndio ISO834 e rotegido com tinta intumecente, areentando-e a influência da eeura da rotecção e da condutividade térmica na rotecção ao fogo. A eeura de rotecção é coniderada contante durante a acção do fogo, tendo ido coniderando o 3 valore ρ 136[ g / m ] e = c = 1[ J / g K]. Temeratura [ºC] ISO834 Sem Prot. d = 5 d = 1 d = 15 d = Temo [min] a) Influência da eeura de rotecção, d, em [µm], ara uma condutividade de =.5 [w/mºc]. Temeratura [ºC] ISO834 Sem Prot. =.1 =.7 = Temo [min] b) Influência da condutividade do intumecente ara uma eeura contante de d =5 [µm]. Fig 3 Análie de um erfil IPE1 rotegido com tinta intumecente Reitência à encurvadura lateral Eurocódigo 3 A reitência ao fogo de um elemento etrutural ode er definida como o intervalo de temo trancorrido dede o início de um incêndio normalizado, até ao momento em que o elemento atinge a ua temeratura crítica. Ito é, a temeratura a artir da qual o elemento deixa de atifazer a funçõe de uorte de carga ara que foi rojectado, com o limite de egurança 131

4 etabelecido ela equação. E fi d R fi, d, t, (4) em que E fi, rereenta o valor de cálculo d do efeito da acçõe exercida obre o elemento, que no cao reente deve er determinado em função da combinação acidental, enquanto que R fi, d, rereenta o t valor de cálculo da caacidade reitente do elemento, ver a Fig 4, em que 1 rereenta o domínio do temo, 2 o domínio da reitência e 3 o domínio da temeratura, (Vila Real, 23). R, E θ R fi,d 2 3 t fi,req 1 Fig 4 - Domínio de verificação da reitência ao fogo. No cao da verificação de egurança de elemento de viga (clae 1 e 2), R fi, d, t ode rereentar, or exemlo, o valor de cálculo do momento flector reitente no intante t, M b,fi,t,rd, em contrangimento laterai, devendo ete er determinado ela equação (5). t fi,d M b,fi,t,rd χ LT,fi Wl,y y,θ, com f y / γm,fi θ d E fi,d t θ cr,d = (5) O cálculo da temeratura crítica ara elemento ujeito a fenómeno de intabilidade (elemento comrimido or flexão ujeito à encurvadura lateral), or exemlo, deverá obedecer a um roceo iterativo, uma vez que a reitência não é directamente roorcional à tenão de cedência do aço. Para o cao em que e verifica eta roorcionalidade, a temeratura crítica é determinada em função do grau de utilização, µ, ela equação (6), em a neceidade de e recorrer a um roceo iterativo. t 1 θ a, cr = 39,19ln (6).9674µ O grau de utilização, µ, é definido ela relação entre o valor de cálculo do efeito da acçõe e a caacidade reitente no intante t =. E fi, d µ = (7) R fi, d, 3 - ENSAIOS EXPERIMENTAIS Pretende-e com ete trabalho areentar um conjunto de enaio exerimentai, à ecala real, ara determinação da temeratura crítica de viga ubmetida à acção do fogo, rotegida com tinta intumecente, ujeita a um carregamento mecânico contante e oterior olicitação térmica. A intrumentação da viga foi feita de acordo com a eecificaçõe da norma UNE 2382, (UNE 2382, 1997). Na fae inicial da rearação da viga, rocedeu-e à oldadura do termoare e intura rotectora aderente utilizando um rimário. Poteriormente rocedeu-e à intura com a tinta intumecente, de bae olvente, utilizando uma itola convencional a ar comrimido, ara a alicação da demão neceária ara a obtenção da eeura de rotecção retendida. A Tabela 1 areenta o valore medido da eeura eca em cinco ecçõe longitudinai da viga, utilizando oito mediçõe or ecção. O rimeiro conjunto de trê enaio (E2, E3, E4) oui um valor médio de eeura de rotecção de [ µm] enquanto que o egundo conjunto (E5, E6, E7) areenta um valor médio de [ µm], correondendo a uma etabilidade ao fogo ISO834 de 31 e 44 minuto, reectivamente. Ete valore foram obtido or extraolação do valore recomendado elo fabricante da tinta, de um factor de maividade de 36 [m -1 ] ara a maividade do erfil utilizado, coniderando uma temeratura crítica de 55 [ºC], (CIN, 23). É ainda areentado 132

5 o reultado de um enaio de uma viga em tinta intumecente (E1), ara e verificar a eficácia dete tio de rotecção. a) Alicação do rimário. b) Controlo dimenional da eeura eca de tinta intumecente. Fig 5 Prearação da viga ara o enaio Procedimento exerimental A viga encontram-e uortada com aoio de forquilha e não ouem qualquer contrangimento lateral, odendo atingir o fenómeno de intabilidade or encurvadura lateral torional, ver a figura 2. Segundo o Eurocódigo 3 arte 1.1 o momento reitente da viga, à temeratura ambiente, é determinado ela equação (8), (CEN ren , 23). M = (8) b,rd χ LT Wl,y f y / γm1 W, rereenta o valor do módulo lático, l y f o valor da tenão de cedência e χ y LT o factor de redução ara a encurvadura lateral. O erfi utilizado no enaio ão IPE1 de qualidade S235, com a eguinte roriedade mecânica: módulo de elaticidade E = 29. 7[ GPa] e tenão de cedência f y = 293 [ MPa], valore medido exerimentalmente. A viga encontram-e olicitada com a carga rereentada na Fig 6, alicada a uma ditância de 25[mm] do aoio, atravé de doi cilindro hidráulico cujo valor (F=18.3 [KN]) origina um momento uniforme entre aoio, correondente a 6% do momento reitente à encurvadura lateral (7.647[KNm]). A ditância entre aoio (L u ) é de 22[mm], o comrimento de viga exoto ao fogo (L ex ) é de 195[mm]. A evolução da temeratura na viga é regitada atravé de termoare do tio K, oldado à viga, oicionado de acordo com a norma UNE 2382 e rereentado na Fig 6. O aquecimento é alicado de acordo com uma taxa de aquecimento ré definida de 8 [ºC/h], utilizando o equema rereentado na Fig 7. A reitência eléctrica (8) ão aoiada numa armadura em aço (9) e ligada a um itema de aquecimento. Para aumentar a eficiência térmica do roceo é utilizada uma manta de fibra cerâmica (4) com malha de aço inoxidável. Para além do regito da temeratura na viga (3), é regitada a temeratura na envolvente do erfil (1) e na armadura (2). Tabela 1 - Valore medido da eeura de tinta intumecente [µm]. Enaio Secção 1 Secção 2 Secção 3 Secção 4 Secção 5 Média E1 Sem Protecção E2 44,5 468,38 435,75 418,88 48, 434,3 E3 43,5 492, 493,88 54,63 448,38 473,88 E4 487,25 544,63 491,13 52,38 458,38 496,75 E5 1265, , , ,6 1291, ,23 E6 1465,72 156, , , ,9 1521,31 E7 141, , ,94 147, ,38 144,98 133

6 F=18342 [N] F=18342 [N] TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 3/8Lex 3/16Lex Lex Lu 1/16 Lex TL ML MR TR BL BR BR ML TR TL MR BL Tf2 Tf4 BR ML TR TL MR BL Tf1 Tf3 Fig 6 - Cao de etudo e localização do termoare. Fig 8 - Enaio em execução. Fig 7 - Equema do rocedimento do enaio. Durante a execução do enaio, ver a Fig 8 e Fig 9, ão medido o delocamento, na ecção central da viga, com o trandutore de delocamento areentado na Fig 7 (D2, D4, D6). 4- RESULTADOS A Fig 1 areenta o reultado o- btido no enaio E1, no qual não foi alica- Fig 9 - Deenvolvimento da intumecência aó a acção térmica. da qualquer rotecção intumecente. Verifica-e que durante o enaio, a temeratura da viga (Tvi) é aroximadamente igual à temeratura na envolvente da mema (Tfi). Na Fig 11 e Fig 12 encontram-e rereentado o reultado ara o conjunto 134

7 Temeratura [ºC] E1-Tf2 E1-Tf3 E1-Tv1 E1-Tv2 E1-DV E1-DLT E1-DLB Temo [min] Fig 1 - Reultado do enaio 1, em rotecção. Delocamento [mm] de viga que oui uma eeura média de rotecção igual a 468.3[µm] e ara a viga que ouem uma eeura média de rotecção de [µm], reectivamente. Na Fig 11 e Fig 12 é ainda areentada a evolução do carregamento relativo ao enaio E4 e E5, reectivamente, na quai e verifica a variação da carga alicada com a caacidade reitente da viga. Ete valor E2-Tf2 E2-Tf3 E2-Tv1 E2-Tv2 E2-DV E2-DLT E2-DLB E3-Tf2 E3-Tf3 E3-Tv1 E3-Tv Del. não medido Temeratura [ºC] Delocamento [mm] Temeratura [ºC] Temo [min] Temo [min] E4-Tf2 E4-Tf3 E4-Tv1 E4-Tv2 E4-DV E4-DLT E4-DLB C. Enaio Força1 Força Temeratura [ºC] Delocamento [mm] Carga [N] Temo [min] Temo [min] Fig 11 - Reultado do enaio E2 a E4. E5-Tf2 E5-Tf3 E5-Tv1 E5-Tv2 E5-DV E5-DLT E5-DLB E6-Tf2 E6-Tf3 E6-Tv1 E6-Tv2 E6-DV E6-DLT E6-DLB Temeratura [ºC] Delocamento [mm] Temeratura [ºC] Delocamento [mm] Temo [min] Temo [min] E7-Tf2 E7-Tf3 E7-Tv1 E7-Tv2 E7-DV E7-DLT E7-DLB C. Enaio Força1 Força Temeratura [ºC] Delocamento [mm] Carga [N] Temo [min] Temo [min] Fig 12 - Reultado do enaio E5 a E7. 135

8 é mantido aroximadamente contante atravé do accionamento de uma electroválvula do circuito hidráulico emre que a força de ambo o cilindro eteja abaixo do valor retendido. Ete reultado evidenciam a erda da caacidade reitente devido ao aumento da temeratura no aço. Verifica-e ainda o aumento do temo de reitência ao fogo e da temeratura crítica com o aumento da eeura de rotecção da viga. A análie do reultado do delocamento verifica a ocorrência de intabilidade or encurvadura lateral Análie da condutividade do intumecente A inverão da equação (3) ermite obter de forma exlícita a condutividade térmica do material de rotecção, equação (9), e determinar a variação deta roriedade com a temeratura da rotecção, com bae no valore exerimentai da temeratura do gá e da viga, admitindo uma eeura da tinta intumecente contante e igual à eeura inicial, (UNE 2382, 1997). ( + φ 3) cρ 1 d 1 = S 1 g ( Tg TS ) t P A (9) A condutividade da tinta intumecente no intante t i é determinada ara a temeratura média da rotecção T i = T i + T ( i 1), ito é, o valor ( ) 2 () () g φ [ T + ( e ) T ] médio da temeratura do gá no intante actual e o valor da temeratura do aço no intante anterior. Coniderando em cada enaio exerimental o valor médio da temeratura regitada do fogo e no erfil, utilizando a equação (9), obtém-e a evolução da condutividade da tinta intumecente com a temeratura da rotecção, rereentada na Fig 13. Na Fig 13 ode-e verificar um comortamento diferenciável entre o conjunto do enaio em que foi utilizada uma eeura média de rotecção de 468.3[µm], enaio E2 a E4, e o enaio E5 a E7 em que foi utilizada uma eeura média de [µm]. Nete último é Condutividade () [W/mK], E2 E3 E4 E5 E6 E Temeratura média do intumecente (T) [ºC] Fig 13 Variação da condutividade do intumecente com a temeratura. oível verificar que a condutividade térmica do intumecente é aroximadamente contante no intervalo de temeratura de 3 a 75 [ºC], ouindo uma variação com a temeratura idêntica à areentada or Tan et all (Tan, 24). Ete comortamento ditinto, entre o doi valore de eeura de rotecção, imõe a realização de mai enaio. No entanto a norma UNE 2382, (UNE 2382, 1997), eecifica que ara temeratura do aço inferiore a 3 [ºC] deverá er utilizado o valor da condutividade térmica exitente no intervalo de temeratura de 25 a 3 [ºC]. 5 - CONCLUSÕES Foi areentado o método exerimental ara o etudo de viga com rotecção ao fogo atravé de tinta intumecente. Eta foram enaiada com um carregamento mecânico contante e oteriormente ubmetida a uma taxa de aquecimento até e atingir o colao or encurvadura lateral. Verificou-e o aumento do temo de reitência ao fogo e da temeratura crítica com o aumento da eeura de rotecção. Com o reultado exerimentai da temeratura na envolvente da viga e da temeratura do aço, foi oível obter-e a evolução da condutividade térmica da tinta intumecente com a temeratura. O reultado motram doi comortamento ditinto ara amba a eeura analiada. Para a maior eeura, ode-e verificar que a condutividade térmica é aroximadamente contante no intervalo de temeratura de 3 a 75 [ºC]. 136

9 AGRADECIMENTOS O autore agradecem à emrea J. Soare Correia e CIN-Cororação Indutrial do Norte, S.A., ela oferta do materiai utilizado no enaio. REFERÊNCIAS [1]. Coru Contruction & Indutrial, Fire reitance of teel framed building, 21. [2]. Dowling, John; Deigning for fire rotection; Contruton new ulement, 14-15, 23. [3]. Lewi, K.R., Fire Deign of Steel Member, Fire Engineering Reearch Reort, Univerity of Canterbury, ISSN , March 2. [4]. Regulamento de egurança contra incêndio em edifício de habitação, Dec. Lei nº 64/9 de 21 de Fevereiro. [5]. Regulamento de egurança contra incêndio em arque de etacionamento coberto, Dec. Lei nº 66/95 de 8 de Abril. [6]. Wictrom, U.; Temerature analyi of heavily-inulated teel tructure exoed to fire; Fire of Safety Journal, 9, , [7]. Meline, S.J.; Thoma, P.H.; Heat flow to inulated teel; Fire of Safety Journal, 12, 1-8, [8]. Wong, M.b.; Ghojel, J.I; Senitivity analyi of heat tranfer formulation for inulated tructural comonent, Fire of Safety Journal, , 23. [9]. CEN ren ; Eurocode 3, Deign of Steel Structure Part 1-2: General rule, Structural fire deign ; Stage 49 draft; Aril 23. [1]. Vila Real, P. M. M.; Incêndio em Etrutura Metálica Cálculo Etrutural, Ediçõe Orion, ISBN , 23. [11]. Aociación Eañola de Normalización y Certificación, UNE Método de enayo ara determinar la contribución a la reitencia al fuego de lo elemento etructurale, mediante la alicación de rotección a lo elemento etructurale en acero ; Madrid, [12]. CIN Cororação Indutrial do Norte; Boletim técnico, 7G-95 PROTHERM - HB Pintura intumecente de alta eeura; Julho 23 - Portugal. [13]. CEN ren ; Eurocode 3, Deign of Steel Structure Part 1-1: General rule and rule for building ; Stage 49 draft; May 23. [14]. Tan, K. h.; Wang, Z.; Au, S. K.; Heat tranfer analyi for teelwor inulated by intumecent aint exoed o tandard fire condition ; third international Worho Structure in fire, Ottawa, Maio