Sistemas estruturais em Aço MÓDULO

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1 Sistemas estruturais em Aço MÓDULO Proteção Estrutural Contra Incêndio 91

2 Porque é necessário o tratamento contra fogo das estruturas de aço? Da mesma forma que o módulo 8 abordou a proteção contra a corrosão das estruturas de aço, optamos por incluir este módulo 9, dedicado a proteção das estruturas de aço contra o efeito do calor provocado por um eventual incêndio. Devido as características de bom condutor térmico, o aço tem a capacidade de se aquecer rapidamente. Principalmente, se levarmos em consideração que as seções dos perfis de aço são, normalmente, bastante esbeltas e por isso com menos massa que as peças de concreto. O calor faz com que o aço tenha suas características físicas de resistência alteradas, enquanto permanecer sob a ação desta fonte de calor. Ao final do incêndio, apesar das alterações de forma que a estrutura possa ter sofrido, o aço readquire sua resistência, em novos arranjos estruturais. É importante ressaltar que todos os materias sofrem alterações sob ação do fogo. Tanto o aço como concreto perdem em torno de 50% de sua resistência quando atingem 600º C. Apenas o concreto demora mais para atingir esta temperatura, devido a ser um mau condutor térmico, e por isso um bom isolante, e também ao fato das peças terem maior massa. Existem diversas formas de se proteger a estrutura de aço da ação do fogo. Inclusive o concreto é uma delas, seja na forma de placas de revestimento, ou na forma de sistemas mistos aço-concreto, onde o perfil de aço trabalha associado ao concreto, aumentando a resistência a flambagem, reduzindo a seção de pilares e vigas e ainda fornecendo uma proteção passiva ao elemento estrutural. Assim sendo, devido a importância deste tema, convidamos novamente o Prof. Fabio Domingos Panonni, Phd., reconhecidamente uma das autoridades nacionais neste assunto, para apresentar os diversos métodos de proteção contra incêndio utilizados atualmente. Tópicos deste módulo Proteção ao Fogo 1. Introdução 2. Comportamento dos materiais estruturais em incêndio 3. Dinâmica de Incêndio 4. Tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) 5. Exigências da NBR Isenções de verificação I NBR Isenções de verificação II NBR Métodos de dimensionamento de materiais de proteção 8.1. Auto-proteção 8.2. Materiais usuais na proteção de estruturas Concreto Materiais projetados Materiais rígidos e semi-rígidos Gesso acartonado Tintas intumescentes 8.3. Custo dos materiais 9. Métodos Simplificados e métodos avançados de dimensionamento 10. Conclusão Bibliografia 2

3 Módulo 9 - Proteção ao Fogo das Estruturas de Aço Da mesma forma que o módulo 8, este módulo, em função do tamanho dos arquivos, foi dividido em 12 partes. Cada uma delas é um arquivo auto-executável, que deve ser baixado para o computador do aluno, de onde poderá ser visualizado e salvo. Com este expediente evitaremos o problema de velocidade de execução de vídeos via internet, com suas interrupções constantes, para descarregamento de dados. A tela do vídeo tem dois botões que permitem avançar ou recuar, dentro do vídeo em exibição. Além disso, este pdf esta disponível como apoio complementar, entretanto, sem o vídeo. Devido a algumas tabelas e imagens adicionais que não estão inclusas no vídeo, recomendamos fazer o acompanhamento em paralelo a exibição dos vídeos. Partes componentes do módulo 9 Parte 1 - (6.61Mb) Parte 2 - (6.15 Mb) Parte 3 - (12.6 Mb) Parte 4 - (7.8 Mb) Parte 5 - (19.3 Mb) Parte 6 - (10.9 Mb) Parte 7 - (12.6 Mb) Parte 8 - (15.3 Mb) Parte 9 - (12.3 Mb) Parte 10 - (6.92 Mb) Parte 11 - (5.3 Mb) Parte 12 - (6.04 Mb) 3

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5 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Prof. Fabio Domingos Pannoni Ph.D. Objetivos da Segurança Contra Incêndio

6 Objetivos da SCI Objetivos da segurança contra incêndio Possibilitar a fuga dos ocupantes da edificação em condições de segurança Possibilitar a segurança das operações de combate ao incêndio Promover a minimização de danos às edificações adjacentes e à infraestrutura pública 6

7 Objetivos da SCI Como atingir estes objetivos? Prevenindo a ignição Escolha de materiais Gerenciamento e manutenção da edificação Facilitando a fuga Rotas de fuga Educação e treinamento Prevenindo o desenvolvimento do incêndio Detetores de fumaça e calor Chuveiros automáticos Extintores Condições de contorno da edificação Compartimentação Ventilação Prevenção do colapso estrutural Projeto estrutural Proteção térmica 7

8 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Comportamento dos materiais

9 Comportamento dos Materiais Todos os materiais estruturais perdem resistência e rigidez com a elevação de temperatura 9

10 Comportamento dos Materiais 10

11 11 Comportamento dos Materiais

12 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Dinâmica do Incêndio

13 Dinâmica do Incêndio O fogo: um fenômeno físico Reação exotérmica Fogo = (combustível+oxigênio+ativação) 13

14 Dinâmica do Incêndio Fases de um incêndio A severidade de um incêndio depende de vários parâmetros: Quantidade e localização dos combustíveis Velocidade de combustão dos materiais Condição de ventilação (aberturas) Geometria do compartimento Propriedades térmicas do envoltório 14

15 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio O Incêndio-padrão

16 O Incêndio-padrão Resistência ao fogo é o tempo em que um elemento construtivo continuará a desenvolver suas funções, sob condições especificadas. 16

17 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Normas Brasileiras

18 Normas Brasileiras NBR Madeira Eurocode Dimensionamento por ensaios Aço NBR Concreto NBR Método simplificado Métodos baseados em análise de risco Métodos do tempo equivalente Métodos avançados Projeto de Engenharia de Segurança Contra Incêndio 18

19 Normas Brasileiras NBR Esta Norma estabelece as condições a serem atendidas pelos elementos estruturais e de compartimentação que integram os edifício para que, em situação de incêndio, seja evitado o colapso estrutural Concreto, aço, madeira, etc. 19

20 Normas Brasileiras Tabela A1 20

21 Normas Brasileiras ISENÇÕES IMPORTANTES Edificações cuja área seja menor ou igual a 750m 2 Edificações com até 2 pavimentos com área menor ou igual a m 2 e que possuam carga de incêndio específica MJ/m 2 Centros esportivos (estádios, ginásios, piscinas com arquibancadas, arenas), estações e terminais de passageiros (estações rodoferroviárias, aeroportos, estações de transbordo) e construções provisórias (circos e assemelhados) com altura 23 m, exceto as regiões de ocupação distinta Garagens sem acesso público e sem abastecimento (garagens automáticas), garagens com acesso de público e sem abastecimento, com altura 30 m, abertas lateralmente, com estrutura... que atenda às condições construtivas do Anexo D (vigas principais e secundárias devem ser construídas como vigas mistas, utilizando-se conectores de cisalhamento...) Edificações térreas: Galpão industrial com carga especif. de incêndio MJ/m 2 Depósito com carga específica de incêndio MJ/m 2 (estarão isentos, para qualquer carga específica de incêndio, desde que providas de chuveiros automáticos ou se tiverem área total m 2, com pelo menos duas fachadas de aproximação que perfaçam, no mínimo, 50% do perímetro) 21

22 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Dimensionamento

23 Dimensionamento Dimensionamento por ensaios Carta de cobertura 23

24 Dimensionamento A espessura é especificada de tal modo que a temperatura do aço não exceda uma dada temperatura (temperatura crítica) por um dado TRRF 24

25 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Materiais de Proteção p1

26 Materiais de Proteção p1 A solução frequentemente empregada para evitar o aumento excessivo da temperatura das estruturas de aço em situação de incêndio é revestí-las por meio de materiais de proteção térmica Formas de aplicação: 26

27 Materiais de Proteção p1 Materiais projetados: base cimentícia ou gesso contendo fibras minerais, vermiculita expandida e outros agregados leves Custo competitivo Resistência ao fogo de até 240 minutos Espessuras secas de 10mm a 40mm Aplicação é realizada em campo Materiais são conduzidos, dentro do equipamento de aplicação, na condição seca (fibras projetadas) ou úmida (materiais de base gesso contendo vermiculita)

28 Materiais de Proteção p1 Fibra projetada Argamassas projetadas 28

29 Materiais de Proteção p1 Argamassa projetada 29

30 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Materiais de Proteção p2

31 Materiais de Proteção p2 Materiais rígidos ou semi-rígidos 31

32 Materiais de Proteção p2 Materiais rígidos ou semi-rígidos Materiais rígidos ou semi-rígidos: fôrmas aplicadas a seco, tanto na forma de caixas quanto de envolventes O grupo inclui fibras cerâmicas, a lã de rocha basáltica, o silicato de cálcio, gesso (placas de gesso acartonado ou o próprio gesso) e a vermiculita Resistência ao fogo de até 240 minutos Placas de gesso acartonado e vermiculita são duras e lisas, possuindo aparência agradável. São vulneráveis ao impacto Mantas de fibras minerais (fibra cerâmica e lã de rocha basáltica) são macias ao toque e flexíveis A aparência visual variará de acordo com o sistema escolhido Os materiais flexíveis são fixados ao aço por intermédio de pinos de aço soldados à estrutura por meio de anilhas de pressão Apresentam-se em diversas espessuras (20, 25, 30, 35, 40 e 50mm) As placas rígidas podem ser fixadas através de uma grande variedade de opções (montantes de aço galvanizado, pinos de aço, parafusos auto-perfurantes e colas especiais) Períodos de resistência maiores são obtidos por meio da utilização de múltiplas camadas As juntas devem ser cuidadosamente recobertas 32

33 Materiais de Proteção p2 Lã de rocha (basáltica) 33

34 Materiais de Proteção p2 Gesso Gesso é o sulfato de cálcio que, no estado seco, contém cerca de 20% de água cristalizada Quando sujeito a altas temperaturas, transforma-se em sulfato de cálcio anidro, com absorção de grande quantidade de calor Por outro lado, a água existente em sua constituição, absorve calor para se vaporizar Ao absorver grande quantidade de calor, o gesso atrasa o aquecimento do componente estrutural, funcionando, assim, como material de proteção térmica O emprego do gesso exige a utilização de um suporte adequado que evite sua desagregação (p.ex., uma rede metálica ou fibra de vidro) Gesso acartonado ( rosa ) 34

35 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Materiais de Proteção p3

36 Materiais de Proteção p3 Revestimentos intumescentes 36

37 Materiais de Proteção p3 Tintas intumescentes: A primeira patente é de Seu uso tem crescido, em todos os países, nas últimas décadas O termo intumescente deriva do latin tumescere, que significa iniciar, expandir A intumescência ocorre pela reação de componentes ativos sob influência do calor, produzindo uma expansão significativa a partir de 200 o C 250 o C Esses componentes ativos expandem muitas vezes sua espessura inicial aplicada quando aquecidos (tipicamente mais do que 60x), produzindo uma massa carbonácea que protege qualquer substrato sobre o qual o revestimento tenha sido aplicado Os revestimentos intumescentes mais empregados na construção civil podem ser tanto de base solvente quanto água e tipicamente possuem uma espessura de película seca menor do que 3mm Revestimentos intumescentes são muito utilizados na proteção de estruturas de aço para períodos de 30 e 60 minutos e seu uso para 90 minutos tem aumentado em alguns países Pode retardar em até duas horas o instante em que se atinge a temperatura crítica do componente a proteger Um sistema intumescente possui, de modo geral, três componentes: um primer, a tinta intumescente (a fase que reage) e um selante (a pintura de acabamento) Em algumas situações, o primer ou o acabamento podem não ser necessários 37

38 Materiais de Proteção p3 Revestimentos intumescentes A maior parte dos revestimentos intumescentes é dedicada ao uso interno ou em locais abrigados, em ambientes externos Durante a fase de construção, algum revestimento intumescente pode ficar temporariamente exposto ao ambiente externo e o uso de um selante pode ser necessário Para exposições externas, deve-se consultar o fabricante da tinta O uso destes produtos corresponde, em certos países, a mais do que 40% do mercado de produtos de proteção térmica utilizados em edifícios de múltiplos andares No Reino Unido, esse número já ultrapassa os 50%, sendo que 2/3 correspondem à aplicação em campo ( on-site ) e 1/3 à aplicação no fabricante ( off-site ) Alguns benefícios provenientes da aplicação off-site de tintas intumescentes: Construção mais rápida, pois a proteção deixa de ser uma etapa crítica do processo de construção Qualidade na aplicação, pois é feita sob condições cuidadosamente controladas e supervisionadas Redução de interferências no canteiro de obra, pois não há necessidade de alocação de equipamento 38

39 Materiais de Proteção p3 Revestimentos intumescentes O revestimento intumescente é somente parte do sistema de proteção. Para um sistema típico, haverá: Preparo de superfície Aplicação de primer, quando necessário Aplicação da tinta intumescente Aplicação de selante, quando necessário Aplicação de um acabamento decorativo quando especificado Na maior parte dos sistemas intumescentes, o selante e o acabamento decorativo são combinados em um único produto 39

40 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Materiais de Proteção p4

41 Materiais de Proteção p4 Concreto Concreto moldado in loco, concreto pré-moldado e concreto celular autoclavado tem sido utilizados como proteção térmica desde os primórdios da construção em aço. 41

42 Materiais de Proteção p4 Instrução Técnica 08/04 (CBESP) Anexo B Resistência ao Fogo Para Alvenarias 42

43 Materiais de Proteção p4 43

44 44 Materiais de Proteção p4

45 Materiais de Proteção p4 45

46 46 Materiais de Proteção p4

47 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Dimensionamento Métodos Simplificados

48 Dimensionamento simplificado Elementos de aço simples q q. q l + l + Q = rc x Ł x ł y Ł y ł t Onde: l é a condutividade térmica do aço Q é o calor gerado internamente por unidade de volume e tempo r é a massa específica do aço c é o calor específico do aço q é a temperatura t é o tempo 48

49 Dimensionamento simplificado Temperatura do aço ( o C) sem proteção térmica, conforme modelo do incêndio padrão (ISO 834) 49

50 Elementos de aço protegidos por materiais de proteção térmica Onde: c m é o calor específico do material de proteção, J/kgK l m é a condutividade térmica do material de proteção, W/mK ( ) ( ) ( ) t a t a t g a a m m t a e t c t A u, /10,,, 1 3 / 1 q x q q r l q x D - - D + - = D ł Ł = A u t c c m m a a m m r r x Dimensionamento simplificado 50

51 Dimensionamento simplificado Exemplo de aplicação

52 Dimensionamento simplificado Exemplo de aplicação

53 Dimensionamento Métodos avançados Millenium Dome Richard Rogers London

54 Dimensionamento Métodos prescritivos x engenharia Engenharia de Segurança Contra Incêndio Um conjunto de soluções em segurança contra incêndio é feito sob medida para os riscos e objetivos previamente especificados Métodos Prescritivos Atuais Muitas vezes não é flexível Facilita a inovação, sem comprometimento da segurança Incapaz de prever todas as situações reais Os custos da proteção contra incêndio podem ser minimizados sem redução da segurança Exige um grupo técnico altamente especializado Em geral, não fornece a solução ótima A evolução técnica é lenta pode levar vários anos para que uma nova solução seja amplamente aceita Consome grande capacidade computacional Em sua forma mais simples (uso de cartas de cobertura ), não requer nenhuma capacidade computacional. 54

55 Dimensionamento Métodos avançados 55

56 56 Dimensionamento

57 Dimensionamento Métodos avançados T compartimento <<<< t andar T desocupação <<<< t estrutura t estrutura 57

58 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Certificação de Produtos e Aplicadores

59 Certificação de Produtos e Aplicadores Exigência! 59

60 Certificação de Produtos e Aplicadores Exigência! Os ensaios devem ser realizados em laboratórios reconhecidos, de acordo com as normas técnicas nacionais ou, na ausência destas, de acordo com normas ou especificações estrangeiras internacionalmente reconhecidas. 60

61 Certificação de Produtos e Aplicadores Exigência! 5.9 Materiais de proteção térmica A escolha, dimensionamento e aplicação de materiais de proteção térmica são de responsabilidade exclusiva do(s) responsável(eis) técnico(s) pelo projeto As propriedades térmicas e o desempenho dos materiais de proteção térmica quanto à aderência, combustibilidade, fissuras, toxidade, erosão, corrosão, deflexão, impacto, compressão, densidade e outras propriedades necessárias para garantir o desempenho e durabilidade dos materiais, devem ser determinados por ensaios realizados em laboratório nacional ou estrangeiro reconhecido internacionalmente, de acordo com norma técnica nacional ou, na ausência desta, de acordo com norma estrangeira reconhecida internacionalmente. 61

62 Certificação de Produtos e Aplicadores Exigência! Para as edificações com área superior a m², será exigido controle de qualidade durante a execução e aplicação dos materiais de proteção térmica às estruturas, realizado por empresa qualificada. 62

63 Certificação de Produtos e Aplicadores 63

64 Sistemas Estruturais em Aço Módulo 9 Proteção Estrutural Contra Incêndio Conclusão

65 Conclusão Finalizando, é importante esclarecer que a proteção de estruturas frente ao fogo é uma parte de um todo muito maior. Quando avaliamos, de forma integrada, a proteção da estrutura, as rotas de desocupação, o uso de sistemas de proteção ativa e passiva e outros sistemas que compõem a segurança contra incêndio, traremos economia ao conjunto da proteção de estruturas. Proteção de estruturas ao fogo pode custar muito menos se integrarmos as partes, que nada mais é que utilizar os métodos avançados apresentados anteriormente. Tudo esta relativamente claro nas normas. É importante que elas sejam lidas e seguidas suas recomendações. E não há maiores dificuldades em sua utilização. E o mais importante é o aumento da segurança da edificação.. 65

66 Sistemas Estruturais em Aço Bibliografia e Leituras Adicionais do Módulo 9 Para complementar o conteúdo deste módulo, aos que quiserem se aprofundar no tema, recomendamos a leitura dos textos adicionais, disponíveis para download no ambiente do curso. Para abrir ou baixar estes textos, clique nos links abaixo: 1. A Segurança Contra Incêndio no Brasil - autores: Alexandre Itiu Seito, Alfonso Antonio Gill, Fabio Domingos Pannoni, Rosaria Ono, Silvio Bento da Silva, Valfrido Del Carlo, Valdir Pignatta e Silva 2. Segurança das Estruturas - autores: Valdir Pignatta e Silva, Fabio Domingos Pannoni, Edna Moura Pinto e Adilson Silva 3. Um Método Avançado de Cálculo para Pisos Mistos de Aço e Concreto em Situação de Incêndio - autores: Ricardo Hallal Fakury, José Carlos Lopes Ribeiro, Estevam Barbosa de Las Casas, Fabio Domingos Pannoni 4. Proteção de Estruturas Metálicas Frente ao Fogo - autor: Fabio Domingos Pannoni 5. A Real Fire In Small Apartment - A Case Study - autores: Valdir Pignatta e Silva, Ricardo Hallal Fakury, Francisco Carlos Rodrigues e Fabio Domingos Pannoni 6. Simulation Of a Compartment Flashover Fire Using Hand Calculations, A Zone Model And a Field Model - autores: Valdir Pignatta e Silva, Ricardo Hallal Fakury, Francisco Carlos Rodrigues e Fabio Domingos Pannoni 7. Manual de Construção em Aço - Resistencia ao Fogo das Estruturas de Aço - CBCA - autores: Mauri Resende Vargas e Valdir Pignatta e Silva 66