SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO: O PROJETO DE PESQUISA BRASILEIRO

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1 2as Jornadas de Segurança aos Incêndios Urbanos Universidade de Coimbra- Portugal 3 de Junho de 2011 SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO: O PROJETO DE PESQUISA BRASILEIRO Armando Moreno Jr Professor, Universidade Estadual de Campinas - Unicamp, Brasil. Carlito Calil Jr Professor, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Brasil. Jorge Munaiar Neto * Professor, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Brasil. SUMÁRIO Julio Cesar Molina Pos Doutorando, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, Brasil. Valdir Pignatta e Silva Professor, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Brasil. No Estado de São Paulo, as pesquisas com elementos estruturais em situação de incêndio vêm sendo desenvolvidas pela UNICAMP, EESC/USP e EPUSP com apoio da iniciativa privada. Este trabalho tem a finalidade de apresentar os detalhes de projeto e construção de um forno horizontal de ensaio de estruturas em altas temperaturas e que foi instalado na EESC/USP. Palavras-chave: incêndio, segurança da estrutura, análise térmica, forno de ensaios. 1. INTRODUÇÃO A capacidade resistente dos elementos estruturais é reduzida em situação de incêndio, fato que ocorre devido a redução da área queimada (madeira), lascamentos (concreto) ou simplesmente perda de resistência (aço). A análise de estruturas em situação de incêndio é complexa e necessita da utilização de microcomputadores, softwares específicos, em associação com procedimentos experimentais custosos. O objetivo da análise das estruturas submetidas a altas temperaturas é evitar o colapso dessas, permitindo tempo suficiente para a total evacuação dos ocupantes. Segundo [1], um típico forno para a avaliação de elementos estruturais em condições de incêndio consiste em uma grande caixa construída em aço, alvenaria ou alumínio, revestida com material refratário ou fibra cerâmica resistente a temperaturas elevadas. Os fornos devem ter um número específico de queimadores, na maioria das vezes funcionando a óleo, gás ou também elétricos, para homogeneização da temperatura em todo o ambiente durante o ensaio em altas temperaturas. Os fornos com funcionamento a gás atualmente são os mais utilizados para o ensaio de elementos estruturais. Deve existir ainda uma chaminé para exaustão, termopares para * Corresponding author - Departament of Structural Engineering. São Carlos School of Enginering. University of São Paulo Campus 1. Avenida Trabalhador São carlense 400, centro São Carlos. Brasil. Telef.: Fax: jmanaiar@sc.uc.br 103

2 Armando Moreno Jr, Carlito Calil Jr, Jorge Munaiar Neto, Julio C. Molina e Valdir Pignatta e Silva medição da temperatura e, usualmente, uma janela de observação. A avaliação de elementos estruturais isolados como as vigas e as lajes de piso ou cobertura, em situação de incêndio, é feita em fornos horizontais e a avaliação de pilares e paredes em fornos verticais. Assim, de uma maneira geral, os ensaios de resistência ao fogo podem ser realizados em três diferentes tipos de forno, adequados ao elemento construtivo que se deseja ensaiar. As Figuras. 1, 2 e 3 mostram os detalhes dos tipos de fornos de ensaios. Figura 1: Forno de ensaios horizontal. [2] Figura 2: Forno vertical para o ensaio de pilares. Fonte. [2] Figura 3: Forno vertical para o ensaio de paredes. [2]. 104

3 Segurança das estruturas em situação de incêndio: o projeto de pesquisa brasileiro No Brasil, os Laboratórios de Ensaios de Fogo do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) do Estado de São Paulo e de Furnas Centrais Elétricas S.A, localizado no Estado de Goiás, dispõem de fornos simuladores de incêndio, movidos a óleo, nos quais é possível a realização de ensaios em paredes. Esses fornos possuem controle manual de elevação de temperatura. O forno do IPT foi construído no final da década de setenta. No entanto, o primeiro forno construído no Brasil para simular uma situação de incêndio em elementos estruturais, em tamanho real, sob carregamento, encontra-se na Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo (FEC) da UNICAMP, localizada em Capinas, no interior do estado de São Paulo. Trata-se de um forno elétrico vertical de ensaios, especifico para a análise de pilares, no qual a temperatura interior chega a 1300 o C. A construção deste forno teve inicio em 2005 e foi concluída em No exterior existem fornos para simulação de incêndio nos EUA, Reino Unido, Suécia, Suiça, Chile, Portugal, entre outros países. A Figura. 4 mostra os detalhes de um forno construído no Civil InfraStructure Laboratory da Michigan State University em East Lansing nos Estados Unidos. Figura 4: Forno de ensaios da Michigan State University nos EUA. Atualmente, na EESC/USP, foi implantado o forno horizontal de ensaios, totalmente automatizado e movido a gás natural, que possibilitará a realização de ensaios em elementos estruturais como lajes e vigas, com dimensões reais sob carregamento. Esse forno faz parte do Projeto Temático intitulado Segurança das Estruturas em Situação de Incêndio, financiado pela Fapesp e seu funcionamento está previsto para o primeiro semestre de Os itens seguintes apresentam os detalhes de construção desse forno horizontal instalado na EESC/USP. 2. PROJETO DO FORNO 2.1 Informações gerais O forno horizontal para ensaios de elementos estruturais em aço, madeira e concreto, em situação de incêndio, foi projetado pelos pesquisadores com base em outros fornos internacionais, tais como o forno dos EUA, apresentado na Figura 4. O referido forno foi instalado nas dependências do Laboratório de Estruturas da EESC/USP, na cidade de São Carlos SP / Brasil, em uma área de 112,5 metros quadrados. O mesmo foi construído pela Indústria Brasileira MASTER FIBER FORNOS INDUSTRIAIS Ltda., da cidade de Taboão da Serra - SP, sendo que o custo do forno (somente caixa metálica revestida), foi de R$ ,00. A chaminé do forno também foi projetada pela Indústria Brasileira MASTER FIBER FORNOS INDUSTRIAIS Ltda. e o valor orçado, nesse caso, foi de R$ ,

4 Armando Moreno Jr, Carlito Calil Jr, Jorge Munaiar Neto, Julio C. Molina e Valdir Pignatta e Silva Para a instalação do forno foi necessária também a construção de uma base de concreto para sustentação do mesmo com saída subterrânea de alvenaria para exaustão. A base de concreto (laje armada) e duto para exaustão foram construídas pela empresa P & B Consruções, da cidade de São Carlos SP, sendo o custo de construção, nesse caso, de R$ ,34. Nesse preço estão incluídos mão de obra e materiais. As canaletas metálicas para suporte dos pórticos de aplicação de carga foram construídas pela empresa Construaço, de São Carlos SP, sendo que o custo das canaletas foi de R$ ,00. A instalação da tubulação de gás natural (rede) para o abastecimento do forno foi feita pela empresa Gas brasiliano gbd, da cidade de São Carlos SP. O custo da tubulação de gás foi de R$ ,00 sendo que a empresa Gás Brasiliano arcou com os custos da tubulação até em frente da EESC/USP e a parte interna da tubulação que passa por dentro da EESC/USP, avaliada em R$ ,00 ficou por conta da EESC/USP. O custo envolvido para transportar o forno (caixa metálica) e o painel de controle, da cidade de Taboão da Serra SP até São Carlos SP, resultou em R$ ,19 sendo que o referido transporte foi feito pela empresa GRA Transportes Pesados, da cidade de São Paulo SP, por conta da EESC-USP. O forno apresenta um sistema com 02 pórticos de apoio e 03 pórticos independentes com 12 cilindros acoplados para aplicação dos carregamentos. O pórtico intermediário utilizado para a aplicação de carga apresenta ainda uma mísula de apoio para posicionamento de elementos estruturas nas janelas de abertura do forno. Esse pórtico intermediário de carga apresenta também resistência a esforço horizontal necessária para ensaio de elementos solicitados a esforço axial. 2.2 Tipos de elementos estruturais para ensaios de resistência ao fogo O forno de ensaios permitirá o ensaio de resistência ao fogo dos seguintes elementos: -Vigas e pilares de madeira; -Vigas e pilares de aço; -Vigas de concreto; -Vigas mistas de madeira e concreto; -Vigas mistas de aço e concreto; -Lajes de concreto e mistas de madeira e concreto e aço e concreto. Os referidos elementos estruturais serão ensaiados no forno brasileiro de acordo com recomendações internacionais, ou seja, o forno tem como base a curva ISO 834 [3] para a análise dos elementos estruturais com relação à resistência ao fogo. A Figura 5 mostra a comparação entre curvas para o modelo de incêndio-padrão. 106

5 Segurança das estruturas em situação de incêndio: o projeto de pesquisa brasileiro Figura 5: Comparação das curvas para o modelo de incêndio-padrão. [4] Vale mencionar ainda que, no Brasil, há falta de informação sobre a construção de fornos para o ensaio de elementos estruturais em situação de incêndio. Nesse sentido, este manuscrito não só tem o objetivo de apresentar informações e detalhes da construção de forno para essa finalidade, mas também de inserir e divulgar o projeto de pesquisa brasileiro no contexto internacional. 2.3 Detalhe de construção da caixa metálica Tipo de forno: fixo com tampa superior móvel; Estrutura do forno: carcaça construída em chapa SAE 1020 com 5 mm de espessura; Dimensões internas: 4 x 3 x 1,5 metros de altura; Tampa superior do forno: movimentada por talha; Combustão: com queimadores Kromschroder de alta velocidade; Operação do forno: gás natural; Taxa de aquecimento: conforme curva padrão da norma ASTM E119 [5]; Temperatura máxima do forno: o C; Variação de temperatura interna do forno: 5%; Revestimento das paredes e tampa do forno: módulos de fibra cerâmica; Revestimento do piso do forno: tijolos de alta resistência mecânica; Painel de controle: sistema supervisório que registra e gera gráficos dos resultados; 107

6 Armando Moreno Jr, Carlito Calil Jr, Jorge Munaiar Neto, Julio C. Molina e Valdir Pignatta e Silva Painel elétrico: opera o forno através de CPL, botoeiras, lâmpadas de sinalização, programador de chama e alarme; Potência instalada: kw ( kcal/h); Numero de zonas de controle: uma; Termopares de controle: 9 elementos e controle feito pela média entre as 9 leituras; Entrada para termopares de avaliação da temperatura: 20 para o supervisório; Operação do sistema: válvula ON/OFF (chama alta / chama baixa); Geração de ar para combustão: ventilador centrífugo movido por motor elétrico; Prazo de entrega do forno: 120 dias; Pressão de entrada de gás na rede: 1,5 bar. 2.4 Detalhe de construção da chaminé Tipo de chaminé: cilíndrica com fixação em uma base plana fabricada em dois lances (inferior com 3 m de altura e superior com 8 m de altura); Dimensões da chaminé: diâmetro do segmento inferior: 800 mm, sendo o diâmetro do segmento superior de 600 mm; Altura total da chaminé: mm; Estrutura da chaminé: fabricada com chapa de aço SAE 1020 com espessura de 5 mm no segmento inferior e 3mm no restante. Seu comprimento foi segmentado em lances de 2 m; Isolamento: parte inferior isolada para garantir a proteção ao redor da chaminé; Vedação com o forno: vedação do espaço livre entre a base do forno e a entrada do duto de gases sob o piso do laboratório para evitar vazamento de gás/calor sob a base do forno; Prazo de entrega: 40 dias contados a partir data de assinatura. A Figura 6 apresenta os principais detalhes do forno horizontal de ensaios instalado nas dependencias do Laboratório de Estruturas da EESC/USP. 2.5 Detalhe da construção da base de concreto A base de concreto para o forno foi feita em duas etapas. Na primeira etapa foi implantada a tubulação de alvenaria passagem da tubulação metálica de exaustão em uma vala de 2,50 metros de largura com 2,10 metros de profundidade. Na segunda etapa foi construída a laje armada de concreto. O diâmetro externo considerado para o tubo de concreto foi de 1,23 metros e o diâmetro interno de 1,00 metro. Essas dimensões foram consideradas viabilizar futuros serviços de manutenção do sistema. 108

7 Segurança das estruturas em situação de incêndio: o projeto de pesquisa brasileiro Como complemento do sistema de exaustão do forno foram construídas também duas caixas de alvenaria com 1,00 x 1,00 metro para abrigar posteriormente a parte curva do tubo interno metálico de exaustão. Sob essas caixas de alvenaria foi feito um radier com 2,50 x 1,50 x 0,15 metros sendo o traço do concreto utilizado de 1: 3: 2,5 (cimento: areia: pedra). Para o reboco das paredes das caixas foi considerado um traço 1: 7 (cimento: areia). Para o assentamento dos tijolos o traço utilizado foi de 1: 3 (areia: cimento). A laje de concreto (base do forno) foi executada em um mês com 1 pedreiro e dois serventes de pedreiro. Figura 6: Forno horizontal de ensaios instalado na EESC/USP. 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Durante o período de 07 a 12 de março de 2010 esteve em São Carlos, a convite do coordenador do Projeto Temático Prof. Titular Carlito Calil Junior, o Prof. Dr. Vankatesh Kodur da Michigan State University EUA. Vale mencionar que o Prof. Kodur é um dos maiores especialistas mundiais na área, sendo seu laboratório em Michigan, um centro de estudos americano e de prestação de serviços à comunidade americana na área de segurança das estruturas em situação de incêndio. A estada do pesquisador Venkatesh Komur Kodur no Brasil foi muito importante para a troca de informações acerca da segurança das estruturass em situação de incêndio. Durante o período de sua permanência proferiu uma palestra no SET/EESC/USP e uma palestra no Instituto de Engenharia em São Paulo que foi transmitida via INTERNET, participando de discussões com todos os orientados do grupo da FAPESP, CAPES e CNPq sobre os trabalhos em desenvolvimento em nível de iniciação científica, mestrado e doutorado. Além disso, visitou o forno recém construído pela Máster Fiber, onde foram discutidos e acrescentados importantes detalhes construtivos no mesmo. O forno horizontal de ensaios implantado na EESC/USP consiste no mais moderno forno construido no Brasil para tal finalidade e possibilitará a realização de ensaios em elementos estruturais comoo lajes e vigas, com dimensões reais sob carregamento. 109

8 Armando Moreno Jr, Carlito Calil Jr, Jorge Munaiar Neto, Julio C. Molina e Valdir Pignatta e Silva 4. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da Fapesp (Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo) e ao CNPq (Conselho Nacional de Pesquisa do Estado de São Paulo). 5. REFERÊNCIAS [1] Pinto, E. M. Determinação de um modelo de taxa de carbonização transversal a grã para o Eucalyptus citriodora e Eucalyptus grandis, Tese de Doutorado, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2005, 119 p. [2] Canadian Wood Council - Fire safety design in buildings, 1996, Canada. [3] International Organization for Standardization. ISO 834: Fire-resistance tests: elements of building construction: part 1.1: General requirements for fire resistance testing. Geneva, p. Revision of first edition (ISO 834:1975). [4] Costa, C. N.; Silva, V. P.- Estruturas de concreto armado em situação de incêndio, 33 th Jornadas Sul- Americanas de Engenharia Estrutural, Brasil. [5] American Society for Testing and Materials. E : Standard test methods for fire tests of building construction and materials. Philadelphia,