Estudo de Caso: Verificação de Pilares em Situação de Incêndio Utilizando uma Proposta Alternativa para a Revisão da NBR 15200

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1 Estudo de Caso: Verificação de Pilares em Situação de Incêndio Utilizando uma Proposta Alternativa para a Revisão da NBR Case: columns on fire verification using an alternative proposal for the Brazilian Standard Code NBR review Roberto Chaves Spoglianti de Souza (1); Alio Ernesto Kimura (2); Valdir Pignatta e Silva (3) (1) Graduando em Engenharia Civil, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo / TQS Informática (2) Engenheiro Civil, TQS Informática (2) Professor Doutor, Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica da Escola Politécnica da Universidade São Paulo Rua dos Pinheiros, 706 c/2, , São Paulo (SP), Brasil, tel.: +55 (11) Resumo A NBR 15200, vigente desde 2004, define diversos processos que permitem avaliar a segurança de uma estrutura de concreto armado em situação de incêndio. Dentre eles, está o método tabular, no qual são definidas tabelas com valores mínimos para a dimensão dos elementos estruturais e para a distância da armadura longitudinal à face exposta ao fogo. Esses valores são estabelecidos de acordo com a magnitude da ação térmica, que é representada pelo Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF). No caso de pilares, a tabela presente na norma em vigor exige dimensões de peças superiores ao padrão atual, e acredita-se que, por isso, sua aplicação prática tem sido descartada por muitos engenheiros. Além disso, a norma atual não segue estritamente o Eurocode, no qual foi baseada. Diante desses fatos, o professor Valdir Pignatta e Silva propôs uma alternativa formulada a partir de prescrições presentes no Eurocode 2: método tabular simplificado, formulação do professor Jean-Marc Franssen e método tabular geral do engenheiro Jose Maria Izquierdo. Essa proposta, contida na proposta para a futura revisão da NBR 15200, visa adequar melhor aos método do EC2, além de estabelecer valores mais condizentes com a prática atual. O objetivo do presente trabalho é averiguar a eficiência dessa nova proposta, por meio do estudo de um edifício comercial real com o auxílio do sistema computacional TQS, de modo a contribuir para a revisão da NBR 15200, que está em andamento. Palavra-Chave: incêndio, pilar, concreto, normatização, dimensionamento em situação de incêndio Abstract The NBR 15200, in force since 2004, defines several processes which allow estimating a reinforced concrete structure fire safety. Among these is the Tabular Method, in which are established tables with minimal values for the dimension of structural elements and for the distance from the longitudinal reinforcement to the fire exposed surface. These values are estabilished according to the magnitude of the required time of fire resistance. In the case of columns, the present standard s table demands dimensions of elements above the present practice, and it is believed that because of this, the usage of this method has been discarded by many engineers. Furthermore, NBR does not follow strictly the Eurocode, on which it was based. For these reasons, professor Valdir Pignatta e Silva proposed an alternative, in which is based the proposal for a NBR15200s review, formulated from Eurocode 2: simplified tabular method, professor Jean-Marc Franssen s formulation and engineer Jose Maria Izquierdo s general tabular method. This proposal, included in the NBR review proposal, aim at adjusting to EC2 methods and establishing values that match more to nowadays practice. The purpose of this work is to verify the new method s efficiency, precision and economy using TQS software, somehow contributing to the NBR review, which is in progress. Keywords: fire, column, concrete, standardization, fire design ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 1

2 1 Introdução Dentre os requisitos de desempenho que uma estrutura de concreto armado deve atender está a garantia da segurança ao colapso da edificação em situação de incêndio. Esse requisito, quando atendido, minimiza os riscos a integridade dos ocupantes do edifício, de seus vizinhos, da infraestrutura pública, da equipe de combate, além dos bens e dos processos produtivos nele contidos. A ABNT NBR 15200:2004 Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio estabelece critérios para o dimensionamento dessas estruturas, que podem ser verificados por meio dos seguintes métodos: o método tabular, o método simplificado de cálculo, os métodos gerais de cálculo e o método experimental. O método tabular é o mais prático e simples de ser empregado, pois relaciona dimensões mínimas dos elementos estruturais de acordo com o TRRF ou Tempo Requerido de Resistência ao Fogo, que é o tempo requerido mínimo de resistência ao fogo dos elementos de construção de uma edificação quando sujeitos ao incêndio-padrão. No caso de pilares, a tabela definida na atual norma brasileira, cujos valores mínimos foram estipulados seguindo formulações presentes no EC2 (2004), tem as seguintes características: - as dimensões mínimas (da menor dimensão da seção transversal do pilar, ou b mín, e da distância do centro geométrico das barras à face do pilar exposta ao fogo, ou c 1mín ) foram calculadas considerando pilares com comprimento equivalente em situação de incêndio igual a l ef, 3 m, o que, para pilares intermediários de um edifício de múltiplos andares, representa um comprimento real de 6 m, valor esse bem acima da média usual; - seu uso não está restrito a valores de excentricidade de primeira ordem de aplicação do carregamento e < 0,15 b, embora no método original do EC2 (2004) exista essa limitação; - a espessura do revestimento pode ser somada às dimensões do pilar na determinação de b mín recomendado pela norma. No Eurocode, os revestimentos não são considerados. Em SILVA (2008), é apresentada uma alternativa ao método tabular para o dimensionamento de pilares que conduz a um dimensionamento estrutural mais otimizado, preciso e econômico, se comparado ao método tabular da norma atual brasileira. Essa alternativa, que também segue o Eurocode, é base da revisão da NBR15200, proposta pelo Comitê Técnico de Segurança das Estruturas em Situação de Incêndio criado na Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural ABECE ( em 22/5/2010) e contém as seguintes melhorias: consideração de comprimentos equivalentes de pilares mais condizentes com os usuais, de excentricidade entre 0,15 b < e < 0,5 b e limitação no aproveitamento dos revestimentos. Neste trabalho, serão avaliados os pilares de um edifício real, projetado de acordo com a NBR 6118:2003, na situação de incêndio, por meio do método tabular presente na ABNT NBR 15200:2004 e dos métodos analítico do professor Jean-Marc Franssen (SILVA, ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 2

3 2008) e tabular geral do engenheiro Jose Maria Izquierdo (SILVA, 2008), que constam, respectivamente, nos Anexos D e E da proposta de revisão da mesma norma. O sistema TQS v15 (TQS, 2009) será adotado como ferramenta computacional auxiliar, pois contém recursos que auxiliam a análise de pilares tanto com base na norma vigente, quanto de acordo com a proposta de revisão, a critério do usuário. Além disso, oferece uma forma de apresentação gráfica de resultados, que permite ao usuário avaliar os resultados de forma mais eficaz. Este trabalho pode ser útil: - em futuras revisões e propostas para NBR 15200; - para divulgar ao meio técnico como incorporar a análise em incêndio em seus projetos, já que se trata de um assunto ainda pouco difundido no Brasil; - para mostrar como uma ferramenta computacional pode auxiliar o engenheiro na tarefa de verificação da estrutura em incêndio. 2 Estudo de Caso O edifício consiste em uma torre comercial localizada em Belo Horizonte (MG), composta por 16 pavimentos, sendo 4 pavimentos de subsolo, piso térreo, 7 pavimentos-tipo, forro, casa de máquinas, barrilete, caixa d água e forro da caixa d água, conforme figura 1. A estrutura de concreto armado foi projetada de acordo com as prescrições da ABNT NBR 6118:2003. Os pilares do edifício serão verificados em situação de incêndio por meio do método tabular presente na ABNT NBR 15200:2004 e da proposta de revisão da NBR (métodos analítico e tabular geral). Os resultados dessas avaliações serão comparados. Os pavimentos forro, casa de máquinas, barrilete, caixa d água e forro da caixa d água não serão considerados na análise. Na figura 1 e tabela 1, a seguir, são apresentadas informações adotadas nas verificações. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 3

4 Figura 1 Vista 3D (esquerda) e Corte Esquemático do edifício (direita). Tabela 1 Considerações para o dimensionamento Tempo Requerido de Resistência ao fogo (TRRF) 90 minutos Combinações a serem consideradas S d,fi = 0,7 S d (ABNT NBR 15200:2004) S d conforme ABNT NBR 6118:2003 Revestimento-padrão em Pilares 2 cm Classificação do aço das armaduras CA-50 Resistência à compressão (f ck ) do concreto 30 MPa Cobrimento das armaduras 30 mm Classe de agressividade ambiental II - Moderada Urbana O TRRF de 90 minutos foi obtido a partir da ABNT NBR 14432:2000 para um edifício da categoria Serviços profissionais pessoais e técnicos. O revestimento somente será adotado na verificação conforme a atual ABNT NBR 15200:2004, já que a nova proposta não permite o seu emprego. Os pilares P1 a P20 pertencem à estrutura principal da torre. Os demais, P101 a P125, são pilares periféricos presentes apenas nos subsolos e térreo, conforme mostra a figura 2 a seguir. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 4

5 Figura 2 Planta de formas do Pavimento 4Pav. A área hachurada representa a projeção da torre. 3 Resultados A seguir, são apresentados os resultados obtidos nos pavimentos 1Pav, 2Pav, 3Pav, 4Pav, Transição, Tipo, TipoR1, TipoR Pavimento 1Pav ABNT NBR 15200:2004 Os pilares P1, P4, P103, P105, P107, P108, P109, P110, P111, P116, P117, P118, P119, P120, P121, P122 e P124 não passariam caso suas dimensões fossem comparadas aos valores limites relacionados aos fi tabelados em norma. Utilizando os valores de fi obtidos na análise estrutural, e obtendo as dimensões mínimas por meio de uma ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 5

6 interpolação linear dos valores limites da tabela, apenas os pilares P108 e P109 não passam Proposta de Revisão da NBR Todos os pilares passam pelo método analítico de determinação do Tempo de Resistência ao Fogo dos pilares (TRF), ou seja, os valores de TRF encontrados para os pilares deste pavimento são todos superiores ao TRRF do edifício (90 minutos). Segue abaixo, como exemplo, a memória de cálculo do TRF do pilar P1 deste pavimento. Figura 3 Seção transversal do pilar P1 do pavimento 1Pav Tabela 2 - Diagramas de esforços solicitantes do P1 / 1Pav Normal N Sk (kn) Momento Y M Syk (kn.m) Momento Z M Szk (kn.m) ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 6

7 Figura 4 - Curva de Interação N x M do pilar P1 do pavimento 1Pav 3.2 Pavimento 2Pav ABNT NBR 15200:2004 Os pilares P108, P109 e P117 não passariam caso suas dimensões fossem comparadas aos valores limites relacionados aos fi tabelados em norma. Utilizando os valores de fi obtidos na análise estrutural, e obtendo as dimensões mínimas por meio de uma interpolação linear dos valores limites da tabela, todos os pilares passam Proposta de Revisão da NBR Todos os pilares passam pelo método analítico de determinação do TRF. Apenas o pilar P113 (b = 300 mm e c 1 = 41 mm), por não atender ao critério de excentricidade máxima (e ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 7

8 < 0,15 b), não pôde ser verificado por esse método. Nesse caso, empregando-se o método tabular geral, ele passaria, pois b mín = 300 mm e c 1mín = 40 mm. (???) 3.3 Pavimento 3Pav ABNT NBR 15200:2004 Apenas o pilar P15 não passaria caso suas dimensões fossem comparadas aos valores limites relacionados aos fi tabelados em norma. Utilizando os valores de fi obtidos na análise estrutural, e obtendo as dimensões mínimas por meio de uma interpolação linear dos valores limites da tabela, todos os pilares passam. Os pilares P101, P113, P114 e P125 possuem e > 0,15 b, dessa forma não poderiam ser verificados por meio do método tabular apresentado na Norma atual, no entanto ela se omite quanto às limitações necessárias Proposta de Revisão da NBR Os pilares P101, P113, P114 e P125 possuem e > 0,15 b. Logo, não são cobertos pelo método analítico, mas podem ser verificados pelo método tabular geral, para o qual os pilares passam. 3.4 Pavimento 4Pav ABNT NBR 15200:2004 Todos os pilares passam. Os pilares P101, P102, P105, P107, P111, P113, P114, P115, P116, P120, P121, P124, e P125 possuem e > 0,15 b, dessa forma não poderiam ser verificados por meio do método tabular apresentado na Norma atual, no entanto ela se omite quanto às limitações necessárias Proposta de Revisão da NBR Os pilares P101, P102, P105, P107, P111, P113, P114, P115, P116, P120, P121, P124, e P125 possuem e > 0,15 b e, por isso, não podem ser verificados pelo método analítico. São calculados, então, valores de b mín e c 1mín referentes ao fi, excentricidade (e) e nível de carregamento ( ) de cada pilar, por meio da interpolação linear dos valores apresentados no método tabular geral Resumo de Resultados A figura 5 e a tabela 3, a seguir, apresentam os resultados do pavimento 4Pav de forma resumida. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 8

9 Figura 5 Pilares do pavimento 4Pav que não atenderam aos métodos. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC0310 9

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11 3.5 Pavimento Transição ABNT NBR 15200:2004 Os pilares P2 e P19 não passariam caso suas dimensões fossem comparadas aos valores limites relacionados aos fi tabelados em norma. Utilizando os valores de fi obtidos na análise estrutural, e obtendo as dimensões mínimas por meio de uma interpolação linear dos valores limites da tabela, todos os pilares passam. O pilar P18 possui e > 0,15 b, dessa forma não poderia ser verificado por meio do método tabular apresentado na Norma atual, no entanto ela se omite quanto às limitações necessárias Proposta de Revisão da NBR Para a maioria dos pilares, podem-se calcular os valores de TRF e todos são superiores aos 90 minutos do TRRF do edifício, ou seja, passam. O pilar P18, por sua vez, possui e > 0,15 b e, por isso, não pode ser verificado pelo método analítico. São calculados, então, valores de b mín e c 1mín referentes ao fi, excentricidade (e) e nível de carregamento ( ) desse pilar, por meio da interpolação linear dos valores apresentados no método tabular geral. Com esses valores, o pilar P18 passa. 3.6 Pavimento Tipo ABNT NBR 15200:2004 Os pilares P2 e P19 não passariam caso suas dimensões fossem comparadas aos valores limites relacionados aos fi tabelados em norma. Utilizando os valores de fi obtidos na análise estrutural, e obtendo as dimensões mínimas por meio de uma interpolação linear dos valores limites da tabela, todos os pilares passam Proposta de Revisão da NBR Todos os pilares passam. 3.7 Pavimento TipoR ABNT NBR 15200:2004 Os pilares P2, P8, P10, P13 e P19 não passariam caso suas dimensões fossem comparadas aos valores limites relacionados aos fi tabelados em norma. Utilizando os valores de fi obtidos na análise estrutural, e obtendo as dimensões mínimas por meio de uma interpolação linear dos valores limites da tabela, todos os pilares passam Proposta de Revisão da NBR Todos os pilares passam. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC

12 3.8 Pavimento TipoR ABNT NBR 15200:2004 Todos os pilares passam. Os pilares P1, P2, P3, P9, P14, P18, P19 e P20 possuem e > 0,15 b, dessa forma não poderiam ser verificados por meio do método tabular apresentado na Norma atual, no entanto, ela se omite quanto às limitações necessárias Proposta de Revisão da NBR Os pilares P1, P2, P3, P9, P14, P18, P19 e P20 possuem os valores de excentricidade superiores ao limite de e < 0,15 b, e, por esse motivo, não podem ser verificados pelo método analítico. Pelo método tabular geral, os pilares P1, P3, P14, P18 e P20 passam por meio da interpolação dos valores das tabelas, enquanto que os P2, P9 e P19 não passam Resumo de Resultados A figura 6 e a tabela 4, a seguir, apresentam os resultados do pavimento TipoR2 de forma resumida. Figura 6 Pilares do pavimento TipoR2 que não atenderam aos métodos. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC

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14 4 Conclusão Neste trabalho, foram analisados os pilares de um edifício real em situação de incêndio, por meio do método tabular presente na ABNT NBR 15200:2004, em vigor nos dias atuais, e dos métodos analítico e tabular geral, que constam nos Anexos D e E da proposta de revisão da mesma norma, respectivamente. Na tabela 5, a seguir, são apresentadas as quantidades de pilares, por pavimento, que não atenderam às exigências de resistência ao fogo. Tabela 5 Quantidade de pilares que não atenderam às exigências de resistência ao fogo Pavimento ABNT NBR 15200:2004 ABNT NBR (revisão) b < bmín c1 < c1mín b < bmín c1 < c1mín ambos TipoR TipoR Tipo Transição Pav Pav Pav Pav TOTAL (106) 11 (13) Ao adotar o método tabular presente na ABNT NBR 15200:2004, apenas 2 lances de pilares, de um total de 260 trechos avaliados, não passam. Contudo, ao se limitar a excentricidade máxima em 0,15 b e não considerar os revestimentos, limitações essas presentes no Eurocode 2 mas que foram omitidas na norma brasileira, o número de pilares que não passam aumentaria para 106. Em tese, esse seria o número correto de pilares quem não atendem a verificação em incêndio segundo da norma vigente atualmente. Ainda referente à NBR 15200:2004, foi possível constatar que o uso do fi calculado a partir dos valores reais provenientes da análise estrutural, ao invés da simplificação de se fixar fi = 0,7, além de pertinente, é relevante na verificação dos pilares. Ao adotar os métodos analítico e tabular geral, presentes na proposta de revisão da NBR 15200, somente 11 lances de pilares não passam, sendo que estes trechos estão pouco ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC

15 solicitados pela força normal, quase trabalhando como vigas, e não fazem parte da estrutura que garante a estabilidade global do edifício. Nesses pilares ainda, cabe ressaltar que, a diferença entre os valores mínimos e as dimensões reais dos mesmos é relativamente pequena. Ou seja, os ajustes necessários seriam muito pequenos. Além dos 11 lances referidos anteriormente, segundo a proposta de revisão da norma, mais 2 trechos não puderam ser avaliados, já que possuem excentricidade acima do limite máximo permitido para o uso das tabelas (0,5 b). Nesse caso, seria interessante empregar uma metodologia mais geral para averiguar a real situação dos mesmos. No que concerne à verificação de pilares em situações de incêndio, para o edifício analisado neste trabalho, pode-se afirmar que as exigências da proposta de revisão da NBR 15200, não inviabilizariam economicamente a construção. Dependendo do caso, apenas s disposição das barras da armadura longitudinal poderia ser alterada de modo a atender às disposições normativas (c1mín), sem a necessidade, então, de se modificar as dimensões dos pilares. Obviamente, nestes casos, a capacidade resistente dos mesmos com a nova armação deve continuar sendo plenamente atendida. Caso fosse empregado o Método do Tempo Equivalente para o edifício analisado, conforme previsto na Instrução Técnica nº 08 do Corpo de Bombeiro de SP (2004) e que também foi incorporado à revisão da NBR (anexo A), o valor do TRRF poderia ser reduzido para 69 minutos. Em tese, esse seria o valor mais correto a ser considerado durante a verificação do projeto. Contudo, neste trabalho, isso não foi realizado, já que o intuito principal foi avaliar a eficiência das diferentes metodologias para verificação de pilares. Finalmente, é importante ressaltar que, para se projetar um edifício que satisfaça adequadamente as condições de segurança a incêndio são necessárias ainda outras verificações essenciais, tais como: compartimentação vertical, instalação de chuveiros automáticos, rotas de fuga bem dimensionadas, etc. 5 Agradecimentos À TQS Informática, à FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo e ao CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, por terem apoiado esta pesquisa e à Engª Luciana Camara do escritório E-Bicalho Engenharia por ter permitido o uso de um de seus projetos estruturais. ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC

16 6 Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações Procedimento. NBR Rio de Janeiro, ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio. NBR Rio de Janeiro, ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Projeto de estruturas de concreto. NBR Rio de Janeiro, ABNT, CORPO DE BOMBEIROS (Policia Militar do Estado de São Paulo). Segurança Estrutural nas Edificações. Instrução Técnica nº 08. São Paulo, EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION (CEN). Eurocode 2: Design of concrete structures Part 1.2: General Rules Structural Fire Design. EN Brussels: CEN, SILVA, V. P. Dimensionamento de pilares de concreto armado em situação de incêndio. Uma alternativa ao método tabular da NBR 15200:2004. Revista IBRACON de Estruturas e Materiais. Vol. 1, nº4 (Dezembro) p São Paulo, IBRACON, TQS. Manual de Migração Versão 15. TQS v15. São Paulo, TQS, ANAIS DO 52º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC