Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia

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1 Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Silva, Valdir Pignatta Escola Politécnica da Universidade, São Paulo. valpigss@usp.br RESUO As normas brasileiras de estruturas em situação de incêndio têm por base as normas europeias do Eurocode. No entanto, a pesquisa brasileira nessa área tem avançado e algumas modificações interessantes, fruto dessas pesquisas, já foram incluídas nas normas brasileiras. O objetivo deste documento é apresentar algumas das diferenças entre normas brasileiras e europeia referentes a concreto e aço em situação de incêndio. Palavras chave: Incêndio. Normatização. Dimensionamento. Concreto. Aço. ABSTRACT The Brazilian standards about structures in fire are based on the Eurocode. However, Brazilian research in this area has advanced and some interesting results from those researches have been included in the Brazilian standards. The aim of this document is to present some of these differences related to the standards of concrete and steel in fire. Keywords: Fire. Design. Concrete, Steel. Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 1-15

2 1. INTRODUÇÃO No final dos anos 90 e início da década de 2001, foram publicadas as normas brasileiras para o dimensionamento de estruturas de aço e mistas de aço e concreto de edifícios em situação de incêndio (NBR 14323) e para o dimensionamento de estruturas de concreto em situação de incêndio (NBR 15200). Essas normas tiveram por base os drafts dos Eurocodes conhecidos à época. As normas brasileiras foram revisadas recentemente A ABNT NBR 14323:2013 tem por base os EUROCODE 3 (2005) e EUROCODE 4 (2005) e a ABNT 15200:2012 o EUROCODE 2 (2004). Conforme a pesquisa brasileira avança nessa área, conseguem-se resultados interessantes. Alguns desses resultados foram incorporados às normas brasileiras, substituindo certas recomendações dos Eurocodes ou acrescentando procedimentos de projeto. O objetivo deste artigo é apresentar algumas dessas diferenças referentes às normas de concreto e de aço em situação de incêndio. 2. ESTRUTURAS DE CONCRETO E SITUAÇÃO DE INCÊNDIO 2.1 Determinação do redutor a O EUROCODE 2 (2004) apresenta uma forma simples de se verificar uma viga de concreto em situação de incêndio, que é o uso de tabelas que associam o tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) a pares b mín /a, sendo b mín a largura mínima da viga e "a" a distância mínima entre o centroide de uma armadura à face exposta ao fogo, conforme a Tabela 1. O EUROCODE 2 (2004) informa que, a fim de garantir a necessária distância do eixo da armadura de tração, a Tabela 1 foi construída assumindo a temperatura crítica do aço, θ cr, igual a 500 C. Esse pressuposto corresponde aproximadamente a Sd,fi = 0,7 Sd e γ s = 1,15, sendo Sd,fi e Sd os valores de cálculo dos momentos fletores solicitantes em situação de incêndio e à temperatura ambiente, respectivamente e γ s o fator de ponderação das resistências à temperatura ambiente, ou seja, a tensão aplicada no aço em situação de incêndio, σ s,fi, vale aproximadamente 0,6 f yk na temperatura crítica, θ cr. Pignatta Silva, V. Página 2-15

3 TRRF in Tabela 1: Dimensões mínimas para vigas simplesmente apoiadas Combinações b min /a mm/mm /25 120/20 160/15 200/ /40 160/35 200/30 300/ /55 200/45 300/40 400/ /65 240/60 300/55 500/ /80 300/70 400/65 600/60 Obs.: Os valores de a indicados nesta tabela são válidos para armadura passiva. No caso de elementos protendidos, os valores de c 1 para as armaduras ativas são determinados acrescendo-se 10 mm para barras e 15 mm para fios e cordoalhas. Para d,fi 0,7 Sd e A s,calc < A s,ef, em que A s,calc e A s,ef são os valores das áreas da armadura necessária conforme dimensionamento adequado à temperatura ambiente e a realmente instalada, respectivamente, o EUROCODE 2 (2004) permite reduzir o valor de a, conforme procedimento apresentado a seguir. Determina-se a tensão aplicada no aço em situação de incêndio, conforme (1), que é a tensão aplicada na temperatura crítica, pois leva a tensão a atingir o f yk. σ Sd, fi yk s, fi = Sd γ s f A s, calc A s, ef (1) Conhecida a tensão σ s,fi, determina-se o redutor de resistência, k s, na temperatura crítica, conforme (2). k s σ ( θ cr ) = f s, fi yk (2) Para calcular k s a partir de θ, usam-se as relações (3) k (θ) = 1,0 s k (θ) = 1,0 0,4 (θ 350) /150 s k (θ) = 0,61 0,5 (θ 500) / 200 s k (θ) = 0,1 0,1 (θ 700) / 500 s para 20 o C < θ 350 C o o para 350 C < θ 500 C o o para 500 C < θ 700 C o o para 700 C < θ 1200 C o (3) Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 3-15

4 Finalmente, determinada a temperatura crítica, θ cr, encontram-se os valores de a por intermédio de (4), em que a é o valor da redução de a, segundo a norma europeia caso d,fi 0,7 Sd e A s,calc < A s,ef. a = 0,1 (500 - θ cr ) (mm) (4) Como se pode notar, há certa dificuldade de se calcular a, não somente pelas 4 equações a se usar, mas também porque as equações 3 são diferentes daquelas recomendadas pelo próprio EUROCODE 2 (2004) para o uso em métodos avançados. Conforme é demonstrado em SILVA; PIERIN (2015), mesmo com base no procedimento recomendado pelo EUROCODE 2 (2004) para concreto armado, é possível determinar-se o valor de a de forma mais direta, com apenas uma equação, a equação (5). A a A Sd,fi s,calc = 24,5 35 (5) Sd s,ef As,calc Sd, fi A equação (5) tem validade para 0,7 1, 0 e 0,4 0, 7 A s,ef Sd. Da mesma forma, chega-se à equação (5), também para fios e cordoalhas protendidas (SILVA, PIERIN, 2015). A equação (5) foi incluída na norma brasileira ABNT NBR 15200: Determinação de a l Há concentração de temperatura junto às bordas da face inferior das vigas. Por essa razão, em vigas com somente uma camada de armaduras e largura não superior ao b mín indicado no Eurocode e norma brasileira, conforme o TRRF, a distância a l deve ser igual a "a + 10 mm". Pignatta Silva, V. Página 4-15

5 Figura 1: Distâncias "a" e "a l ". Fonte: G. B.. L. Albuquerque Em SILVA (2011) foi demonstrado que, alternativamente, para se manter iguais os cobrimentos das armaduras tanto em relação à face inferior quanto à lateral da viga, deve-se, para concreto armado, especificar barras de canto com um diâmetro imediatamente superior ao calculado conforme ABNT NBR 7480 (2007). Essa informação foi inserida na ABNT NBR 15200:2012 e acrescentou-se que, para concreto protendido, considerar paraa efeito de dimensionamento, uma força de protensão igual a 0,7 da indicada para obra. 2.3 Dimensões mínimas para laje nervurada unidirecional Para lajes nervuradas unidirecionais, o Eurocode 2 (2005) recomenda empregar as mesmas tabelas de vigas, respeitando as espessuras da capa que garantem o isolamento térmico, ou seja, a tabela a se respeitar é a Tabela 2 Tabela 2: Dimensões mínimas para nervuras com armações em uma camada TRRF min b mín mm c 1 mm c 1l mm Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 5-15

6 Em SILVA (2011) foi realizado um estudo específico para lajes nervuradas, o que resultou na Tabela 3, incluída na ABNT NBR 15200:2012. Tabela 3: Dimensões mínimas para lajes nervuradas armadas em uma só direção a TRRF min Nervuras Combinações de b min /c 1 mm/mm /25 100/ /45 120/ /60 150/ /65 220/ /80 a Os valores de c 1 indicados nesta tabela são válidos para armadura passiva. No caso de elementos protendidos, os valores de c 1 para as armaduras ativas são determinados acrescendo-se 10 mm para barras e 15 mm para fios e cordoalhas. 3. ESTRUTURAS DE AÇO E SITUAÇÃO DE INCÊNDIO 3.1 Dimensionamento A primeira norma brasileira sobre estruturas de aço e mistas em situação de incêndio data de A versão de 2013 é uma revisão atualizada, com base na parte 1-2 dos EUROCODES 3 e 4 (2005). No Brasil, há 2 normas sobre dimensionamento de estruturas de aço à temperatura ambiente: ABNT NBR 8800:2008 Projeto de estruturas de aço e estruturas mistas e ABNT NBR 14762:2010 Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio. Ambas têm por base normas norte-americanas, respectivamente, ANSI/AISC (2005) (cabe ressaltar que já foi publicada a ANSI/AISC e AISI, 2007). Assim, a grande dificuldade na elaboração da ABNT NBR 14323:2013 foi a adequação entre normas europeias e normas norte-americanas. Por exemplo, a norma europeia divide as seções transversais em classes (1 a 4) em função da esbeltez de mesa e alma. A norma brasileira não divide em classes, mas devem ser feitas tantas verificações para quantas instabilidades (global, local e distorcional) forem possíveis de ocorrer no perfil. A formulação para verificação de instabilidade local em incêndio, Pignatta Silva, V. Página 6-15

7 especialmente para os perfis formados a frio, é explicita, empregando o fator de redução k p,0,2,θ (proof strength), enquanto no Eurocode os valores de k p,0,2,θ são fornecidos, mas deixa ao usuário adaptar a formulação dos perfis formados a frio. Em seguida apresentam-se, de forma resumida, parte da formulação para barras comprimidas e sob flexão em situação de incêndio, conforme a norma brasileira. A força normal resistente de cálculo, N fi,rd, de uma barra de aço comprimida é determinada conforme as equações 6 e 7, quando não ocorre instabilidade local, e 8 e 9 na verificação da instabilidade local. As equações 7 e 9 são voltadas especificamente a perfis formados a frio. Na equação 6: N fi,rd = χ k Af (6) fi y, θ y - χ fi é o fator de redução da força normal resistente em incêndio (instabilidade global) - k y,θ é o fator de redução da resistência ao escoamento a altas temperaturas relativo ao valor à temperatura ambiente - A é a área da seção transversal do perfil - f y é a resistência ao escoamento do aço Os valores de χ fi e k y,θ devem ser obtidos na ABNT NBR 14323:2013, que são iguais aos fornecidos pelo EUROCODE 3 (3005) Na equação 7: N fi,rd = χ k Af (7) dist y, θ y - χ dist é um fator de redução decorrente da instabilidade por distorção de perfis formados a frio, fornecido na ABNT NBR 14762:2010 e, complementado, por exemplo, por PIERIN et al. (2013) ou SILVA et al. (2014). Na equação 8: N fi,rd - A ef é a área efetiva da seção transversal = χ k A f (8) fi p,0,2θ ef Para perfis laminados ou soldados, encontra-se A ef multiplicando-se o valor da área bruta pelo fator de redução referente à instabilidade local, Q, dado na ABNT NBR 8800:2008. Para perfis formados a frio, A ef é determinada conforme a ABNT NBR 14762:2010, empregando o método das larguras efetivas, método das seções efetivas ou usando métodos computacionais. N fi,rd dist p,0,2θ y y = χ k Af (9) Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 7-15

8 O momento fletor resistente de cálculo, fi,rd, de um perfil I, na verificação da instabilidade lateral com torção é determinado pelas equação 10. fi, Rd = κ χ k (10) fi y,θ Na equação 10, O fator de correção κ leva em conta o efeito benéfico de uma distribuição de temperatura não uniforme na seção transversal e tem valores recomendados tanto pela ABNT NBR 14323:2012, quanto pelo EUROCODE 3 (2005) e pl é igual a W pl. f y. O momento fletor resistente de cálculo, fi,rd, de um perfil I, na verificação da instabilidade local é determinado pelas equações 11. para l l p,fi fi,rd = k y,θ. pl. para λ ( ) p,fi < λ < λ r Rk = k y, θ p p,fi l r λ r,fi λ p,fi para r, fi Rk = k E, θ cr pl λ λ p,fi l (11) λ > λ (não é valida para a alma) Na equação 11: - l é a esbeltez ou de 1/2 mesa ou da alma, conforme a verificação que está sendo efetuada - W pl e W el são, respectivamente, o momento resistente no regime plástico e elástico - r para a verificação da mesa é igual a W el (f y - s r ), onde s r é a tensão residual, e para alma é igual W el. f y - cr é o momento de flambagem (ponto de bifurcação) elástica de chapa adaptado Os valores dos parâmetros de esbeltez correspondentes à plastificação e ao início do escoamento em situação de incêndio, respectivamente λ p, fi e λ r, fi, devem ser determinados usando-se os respectivos parâmetros à temperatura ambiente, multiplicando-se por 0,85, Para o caso dos perfis formados a frio, na verificação da instabilidade local em situação de incêndio, o momento fletor resistente de cálculo é obtido pelas equações 12 ou 13. Na equação 11: fi,rd = χ k W f (12) fi σ, θ el,c,ef - W el,c,ef é o módulo resistente elástico da seção transversal efetiva em relação às fibras extremas comprimidas, determinado com base no método das larguras efetivas ou das seções efetivas conforme a ABNT NBR 14762:2010 (temperatura ambiente). fi,rd dist σ, θ y = χ k W f (13) el y Pignatta Silva, V. Página 8-15

9 No caso dos perfis formados a frio que não apresentam possibilidade de instabilidade local sob flexão em situação de incêndio, o momento fletor resistente de cálculo deve ser obtido conforme equações 12 ou 13, porém usando k y, θ no lugar de k σ, θ. 3.2 Determinação da temperatura de perfis revestidos contra fogo A equação 14, da ABNT NBR 14323:2012, que permite a determinação da temperatura de perfis submetidos à temperatura uniforme e, indiretamente, a espessura do revestimento contra fogo, é um pouco diferente da equação 15 do EUROCODE 3 (2005) que tem a mesma finalidade. θ a,t ( u A )( θ θ ) λm m g g,t a,t t θg,t = (14) t ρ c 1+ m a a ( φ 4) ( 4 φ) + 1 θ λ = ( u A ) ( θ θ ) ρ c a a t φ 10 ( e 1) m m g g,t a,t a, t θg,t t m ( 1+ φ 3) (15) Nas equações 14 e 15: - m Ag u é o fator de massividade para elementos estruturais envolvidos por material de revestimento contra fogo (m -1 ) - u m é o perímetro efetivo do material de revestimento contra fogo, igual ao perímetro da face interna do material de revestimento, limitado às dimensões do elemento estrutural de aço (m) - c é o calor específico do material de revestimento contra fogo m (J/kg/o C); - t m é a espessura do material de revestimento contra fogo (m) - θ a, t é a temperatura do aço no tempo t ( o C) - θ g, t é a temperatura dos gases no tempo t ( o C) - λ m é a condutividade térmica do material de revestimento contra fogo (W m/ o C) - ρ m é a massa específica do material de revestimento contra fogo (kg/m 3 ) - t é o intervalo de tempo (s) cmρm - φ = t ( u A ) c a ρ a m m g Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 9-15

10 Em SILVA (2005), é apresentada a validação da equação (14) e mostra-se que os resultados são similares aos da equação COBINAÇÃO DE AÇÕES Outra diferença entre as normas brasileira e europeia são os valores dos fatores de combinação (Ψ 2 ) para ações excepcionais (ou acidentais na nomenclatura do EUROCODE 0, 2001). O valor Ψ 2 das ocupações que, segundo EUROCODE 0 (2001), valem: 0,3, 0,6 e 0,8, segundo a ABNT NBR 8681:2003, para a situação de incêndio, valem: 0,21, 0,28 e 0,42, respectivamente. Por outro lado, o coeficiente de ponderação das ações permanentes (γ f ) vale 1,2 no Brasil e 1,0 segundo o Eurocode. O coeficiente de ponderação das ações variáveis (γ q ) vale 1,0 em todas as normas citadas A fim de comparar resultados empregando-se os dois grupos de valores na determinação do valor de cálculo da ação em incêndio, construíram-se as Figuras 2 a ,8 F d,fi /F d 0,6 0,4 0,2 NBR EC 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 F Q F G Figura 2: Relação entre valor de cálculo da ação em incêndio e o valor de cálculo da ação à temperatura ambiente para Ψ 2 = 0,21/0,30, γ f = 1,2/1,0 e γ q = 1,0/1,0. Pignatta Silva, V. Página 10-15

11 1 0,8 F d,fi /F d 0,6 0,4 0,2 NBR EC 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 F Q F G Figura 3: Relação entre valor de cálculo da ação em incêndio e o valor de cálculo da ação à temperatura ambiente para Ψ 2 = 0,28/0,60, γ f = 1,2/1,0 e γ q = 1,0/1,0. 1 0,8 F d,fi /F d 0,6 0,4 0,2 NBR EC 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 F Q F G Figura 4: Relação entre valor de cálculo da ação em incêndio e o valor de cálculo da ação à temperatura ambiente para Ψ 2 = 0,6/0,8, γ f = 1,2/1,0 e γ q = 1,0/1,0. 5. REDUÇÃO DO TEPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO DAS ESTRUTURAS Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 11-15

12 Nas ABNT NBR 15200:2012 e ABNT NBR 14323:2013, foi incluído um procedimento que permite a redução em até 30 minutos dos valores de TRRF - tempo requerido de resistência ao fogo fornecidos na Tabela 4, com base na Instrução Técnica nº8 do Corpo de Bombeiros do Estado de São Paulo, para edificações com características favoráveis à segurança contra incêndio, conforme procedimento resumido a seguir. O valor de TRRF poderá ser substituído pelo valor de t determinado pela equação 15, desde que t seja maior ou igual a: - TRRF 30 min (TRRF menos 30 min) - 15 min Caso t seja menor do que TRRF 30 min (TRRF menos 30 min), então o valor de TRRF poderá ser substituído por TRRF 30 min. t = 0,07 q fi γ n γ s W (15) Ocupação/uso Tabela 4: Tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) Altura da edificação (m) h 6 6<h 12 12<h 23 23<h 30 30<h 80 80<h <h <h 180 Residência Hotel Supermercado Escritório Shopping Escola Hospital Igreja Na equação 15: - q fi é o valor característico da carga de incêndio específica do compartimento analisado em J/m 2, que é obtida por medição direta ou retirada de uma tabela da Instrução Técnica IT 14 Pignatta Silva, V. Página 12-15

13 do Corpo de Bombeiros do Estado de São Paulo (2011), com base no método descrito em SIA-81 (1999), que nada mais é do que o método de Gretener - γ n é um fator de ponderação, com base no EUROCODE 1 (2002), determinado por γ n =γ n1 γ n2 γ n3, em que γ n1 =0,60 se houver chuveiros automáticos, γ n2 =0,9 se houver detecção automática e γ n3 =0,9 se houver brigada contra incêndio. Na ausência de algum meio de proteção, adota-se γ ni igual a 1 - γ s é um fator de segurança determinado pela equação 16, obtido por uma regressão aproximada de uma tabela de SCHLEICH; CAJOT (1997), em que A f é a área do piso do compartimento em m 2 e h é a altura de incêndio do edifício em metro A = 1+ f 1 γ s1 5 ( h + 3) W é um fator, com base no EUROCODE 1 (2002), que considera a influência da ventilação e da altura do compartimento, conforme a equação 17, em que H é a altura do compartimento (distância do piso ao teto) em metro e A v é a área de aberturas para o ambiente externo do edifício em m 2 (16) 0,3 4 6 A W 0, ,4 v = + 0,5 H A (17) f ais detalhes e limitações de uso desse procedimento podem ser encontrados em SILVA (2012), ABNT NBR 15200:2012, ABNT NBR 14323:2013 e IT 8 (2011). 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Apresentaram-se neste texto algumas das diferenças existentes entre as normas brasileiras e europeias sobre estruturas de concreto e aço em situação de incêndio. A maioria das diferenças refere-se à formulação que, no entanto, levam a resultados similares. Uma diferença que se deve destacar é o procedimento de redução de TRRF que, apesar de lembrar o método do tempo equivalente do EUROCODE 1 (2002), conduz a resultados diferentes. O uso e a experiência farão que os futuros normatizadores optem pela melhor opção. Estruturas em situação de incêndio; diferenças entre normas brasileira e europeia Página 13-15

14 7. REFERÊNCIAS AERICAN IRON STEEL INSTITUTE (AISI). North American specification for the design of cold-formed steel structural members. Washington DC AERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC Specification for Structural Steel Buildings. Chicago, ANSI/AISC Specification for Structural Steel Buildings. Chicago, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORAS TÉCNICAS. NBR 8681: Ações e segurança nas estruturas: procedimento NBR 7480: Aço para concreto armado NBR 14323: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios em situação de incêndio NBR 15200: Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio NBR 14762: Dimensionamento de estruturas de aço constituídas de perfis formados a frio EUROPEAN COITTEE FOR STANDARDIZATION EN 1990: Eurocode 0 Basis of structural design. Brussels: CEN, EN : Eurocode 1: actions on structures - part 1.2: general actions actions on structures exposed to fire. Brussels: CEN, EN : Eurocode 2: design of concrete structures part 1.2: general rules - structural fire design. Brussels: CEN, EN : Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-2: General rules Structural fire design. Brussels: CEN, EN : Eurocode 4: design of composite steel and concrete structures part 1.2: general rules structural fire design. Brussels: CEN, 2005 SÃO PAULO (Estado). Corpo de Bombeiros. Instrução Técnica n. 08: Resistência ao fogo dos elementos de construção Corpo de Bombeiros. Instrução Técnica n. 14: Carga de incêndio SCHLEICH J. B.; CAJOT, L. G. Global fire safety concept for buildings. La Revue de étallurgie Cahier d Informations Techniques, v. 94, n.1, p , SILVA, E. L.; PIERIN. I.; SILVA, V. Pignatta. Estruturas compostas por perfis formados a frio - dimensionamento pelo método das larguras efetivas e aplicação conforme ABNT NBR Pignatta Silva, V. Página 14-15

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