BOLETIM TÉCNICO Ano II / N o 04 Setembro-Outubro/97

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1 BOLETIM TÉCNICO Ano II / N o 4 Setembro-Outubro/97 PROTEÇÃO AO FOGO DAS ESTRUTURAS Vldir Pigntt e Silv* INTRODUÇÃO Não há Norm Brsileir pr estruturs metálics em situção de. Procur-se simulr o dimensionmento ds estruturs de ço por meio de técnics não-científics, utilizndo-se um curv pdronizd - do, ssocid s preestbelecidos de ção térmic e um crític do ço, considerd constnte. No cso ds estruturs de concreto, há Norm Brsileir NBR 5627 (98), onde são fixdos os vlores do cobrimento d rmdur pr cd tipo de peç estruturl. Por exemplo, pr um resistênci de dus hors de fogo, o cobrimento ds peçs sem revestimento deve ser 45 mm pr os pilres, 2 mm 45 mm pr s ljes e 4 mm 65 mm pr s vigs. Em 996, foi crid comissão de estudos CE- 24:3-6/ABNT pr elborção do texto-bse d Norm Dimensionmento de Estruturs de Aço de Edifícios em Situção de Incêndio. Atulmente está em fse de conclusão dos trblhos. Este boletim tem finlidde de presentr, resumidmente, o método simplificdo pr o dimensionmento ds estruturs de ço em situção de, que será recomenddo pelo texto-bse citdo. Esse método é bsedo em norms européis (ENV (995) e ENV (995)) e dptdo às norms brsileirs em vigor (NBR 868 (984) e NBR 88 (986)). O texto-bse permitirá tmbém, que métodos vnçdos de cálculo envolvendo Termodinâmic e Teori ds Estruturs possm ser utilizdos pr modelgem do e dimensionmento d estrutur. Pr efeito deste texto, s seguintes definições são plicds: Comprtimento de - Um volume no interior de um edificção, limitdo por mteriis de vedção, estnques, que impedem propgção do pr o exterior. Ftor de mssividde de um seção trnsversl - Relção entre o perímetro do elemento estruturl de ço exposto o e su áre (u/a), pr elementos sem proteção, ou u p /A, pr elementos com proteção contr. 2 AÇÃO TÉRMICA E CÁLCULO DA TEMPERATURA DO AÇO Ação térmic é ção n estrutur descrit por meio do fluxo de clor, por rdição e por convecção, que surge devido à diferenç de entre os gses do mbiente em chms e os componentes d estrutur. A principl crcterístic de um, no que concerne à nálise estruturl é curv que fornece dos gses em relção o de (Fig.). máxim do ignição inflmção generlizd (flshover) fse de fse de quecimento resfrimento Figur - Incêndio Rel Ess curv present um região inicil (préflshover) com bixs s, em que o é considerdo de pequens proporções. Cso nesse intervlo de s medids de proteção tiv sejm eficientes, nenhum verificção dicionl d estrutur será necessári. O instnte em que se dá o umento brusco d inclinção d curv é conhecido como flshover e ocorre qundo superfície de tod crg combustível presente no mbiente entr em ignição, o torn-se de grndes proporções tomndo todo o comprtimento e dos gses elev-se rpidmente té o mteril combustível extinguir-se, prtir do que há redução grdtiv d dos gses. Se s medids de proteção tiv não forem eficientes pr extinguir o durnte o pré-flshover e houver interesse n proteção ptrimonil, então deve-se verificr segurnç d estrutur incluindo ção térmic. Pr tl model-se o como se este se inicisse no flshover (Fig.2). [E] Comentário:

2 2/5 tingid (Fig. 4) e dimensioná-lo pr ess. ço sem isolmento temp. máx. do ço inc. ço com isolmento temp. máx. do ço Figur 2 - Modelo de (Incêndio Nturl) Ensios relizdos em áres comprtimentds demonstrm que ess curv depende d geometri do comprtimento, ds crcterístics térmics dos mteriis de vedção, d quntidde do mteril combustível e do gru de ventilção do mbiente em estudo. Esse modelo, que procur simulr o relisticmente, é conhecido como modelo de nturl. Há vários métodos pr determinção d dos gses respeitndo esse modelo: método do equivlente (ENV (995)), métodos que considerm uniformidde d no mbiente em chms (PETTERSSON (976), SILVA; PIMENTA (996)), zone model, computtionl fluid dynmics. Tendo em vist que pr cd situção curv - do se lter, convencionou-se dotr um curv pdronizd -, pr servir como modelo pr nlise experimentl de estruturs ou mteriis isolntes s em fornos de institutos de pesquis. N flt de estudos mis relísticos, ess curv pdronizd pr ensios poderá ser dotd como curv - dos gses. Esse modelo é conhecido como -pdrão (Fig. 3). Figur 3 - Modelo de (Incêndio-Pdrão) Conhecid curv - do, o ftor de mssividde d peç estruturl e lgums expressões de trnsferênci de clor, é possível determinr-se curv - do elemento estruturl em estudo, máxim Figur 4 - Tempertur do ço (Incêndio Nturl) fictíci pr dimensionmento inc. fictíci pr dimensionmento ço com isolmento pdronizdo ço sem isolmento Figur 5 - Tempertur do ço (Incêndio-Pdrão) A utilizção do modelo do -pdrão não permite encontrr máxim que peç tinge, exigindo o preestbelecimento de s pdronizdos, em função ds dimensões e tipo de utilizção d edificção fim de encontrr-se um (Figur 5), n curv - d peç estruturl, que poss ser utilizd no dimensionmento. 2. Cálculo d no ço Pr um distribuição uniforme de n seção trnsversl, elevção de T t, ( C) de um elemento estruturl, durnte um intervlo de t, pode ser determind por: 2.. Elementos estruturis sem proteção contr : T t,... sendo h= hc+ hr u ( ). = A h t c ρ

3 3/5. com hc = c( Tg T) α e ( ) ( ). 8 hr =, x ε res Tg T onde: α c = 25 W/m² C, ε res =,5, t 5 s, c =6 J/kg C e λ =45 W/m C mod. elst. reltivo módulo de elásticidde,75 ço,5,25 concreto Elementos estruturis envolvidos por mteril de proteção contr : E Figur 7 - ke,t = T E λm ( u m / A ) ( T gt, T t, ) T t, = t t p c ρ + ϕ / 3 ( e ϕ / ) T gt,,8 Digrm tensão-deformção (AÇOS) o C ρ com:ϕ = c m m t c m u m A ρ ( / ) e t 3s. tensão reltiv,6,4, PROPRIEDADES MECÂNICAS A exposição do ço lts s fz degenerr s sus crcterístics físics e químics cusndo redução d resistênci e d rigidez. Cbe slientr que fenômeno de conseqüêncis similres ocorre tmbém com o concreto. Apresent-se seguir s curvs que indicm redução do limite de escomento (Fig.6) e do módulo de elsticidde dos ços estruturis e do concreto (Fig.7), devido o umento d e o digrm tensãodeformção (Fig.8) do ço ASTM A-36 em função d (ENV (995), SILVA;PIMENTA (995)). lim. escom. reltivo,75,5,25 limite de escomento (convencionl) concreto ço fy,t Figur 6 - ky,t = fy,5,,5,2 deformção liner específic Figur 8 - Digrm tensão-deformção do ço ASTM A-36 em função d 4 AÇÕES E SEGURANÇA ESTRUTURAL Consider-se que cpcidde estruturl de um elemento se mntém por um t em um se: S R fi, d fi, d, t As solicitções de cálculo em situção de (S fi,d ) devem ser determinds prtir ds combinções de ções pr os estdos limites últimos em situção de, considerds como combinções últims excepcionis e obtids de cordo com NBR 868. Pr os estdos limites últimos em situção de, s resistêncis de cálculo devem ser determinds usndo-se o coeficiente de resistênci φ fi, =,. Deve-se considerr tmbém o efeito d ção térmic, por meio dos ftores de redução k T. 5 MÉTODO SIMPLIFICADO PARA O DIMENSIONAMENTO Apresent-se seguir s recomendções pr o dimensionmento em situção de de elementos estruturis de ço. Os elementos

4 4/5 estruturis de ço e s ligções devem ser projetdos à mbiente de cordo com NBR 88. O método simplificdo de cálculo se plic os elementos que compõem estrutur individulmente. 5. Resistênci dos Elementos Estruturis de Aço 5.. Brrs trcionds Estdo limite último de escomento d seção brut: N fi,, t Rd = φ fi, ky, T Ag fy Estdo limite último de ruptur d seção líquid efetiv: não precis ser considerdo, desde que hj um prfuso em cd furo Brrs comprimids Este item se plic às brrs xilmente comprimids, cujos elementos componentes d seção trnsversl não possm sofrer flmbgem locl em regimes elástico ou elsto-plástico. ρ fi ky, T Ag fy N fi,, t Rd = φ fi, 2, O vlor de ρ fi deve ser obtido de cordo com NBR 88, ms usndo-se sempre curv c. O prâmetro de esbeltez λ T pr T tingid no t é ddo por: λt = λ ky, T ke, T O comprimento de flmbgem l fi pr situção de deve ser determindo como no projeto à mbiente. No entnto, em um pórtico indeslocável de edifício em que cd ndr constitu um comprtimento de, de modo que resistênci dos componentes que seprm estes ndres não sej menor que resistênci do pilr, em um ndr intermediário, l fi pode ser tomdo igul,5l, e no último ndr igul,7l, onde L é ltur do ndr em considerção Brrs fletids Este item se plic às brrs fletids, cujos elementos componentes d seção trnsversl não possm sofrer flmbgem locl em regime elástico. O vlor do prâmetro de esbeltez λ pr os estdos limites últimos de flmbgem locl d lm e flmbgem locl d mes comprimid e flmbgem lterl, em situção de, deve ser sempre determindo conforme NBR 88. Os vlores dos prâmetros de esbeltez correspondentes à plstificção (λ p ) e o início do escomento (λ r ), devem ser determindos como n NBR 88, substituindo-se f y por k y,θ f y e E por k E,θ E. A resistênci de cálculo o momento fletor M fi,, t Rd, pr FLT (flmbgem lterl), no t de um brr fletid é igul : se λ λ p kyt, Mpl M fi,, t Rd = φ fi, k k2 se λ p < λ λ r kyt, Mn M fi,, t Rd = φ fi, 2, se λ > λ r ket, Mn Mfi,, t Rd =φfi, 2, O ftor de correção k, pr distribuição de não-uniforme n seção trnsversl, vle, pr um vig com todos os qutro ldos expostos e,7 pr um vig com três ldos expostos, com um lje de concreto no qurto ldo. O ftor de correção k 2, pr distribuição de não-uniforme o longo do comprimento d brr fletid, vle,85 nos poios de um vig estticmente indetermind e, em todos os outros csos. 5.2 Ligções A resistênci ds ligções entre elementos estruturis não precis ser verificd desde que resistênci térmic (t p /λ p ) j d proteção contr d ligção não sej menor que o vlor mínimo d resistênci térmic (t p /λ p ) m d proteção contr de qulquer elemento conectdo. Adotr t p = qundo não houver proteção. 6 SÍMBOLOS A - áre d seção trnsversl A g - áre brut d seção trnsversl d brr. E - módulo de elsticidde do ço 2 C E T -módulo de elsticidde tngente dos ços em elevd I - momento de inérci M fi,t,rd - resistênci de cálculo o momento fletor no t em situção de M n - resistênci nominl o momento fletor M pl - momento de plstificção M r - momento fletor correspondente o início do escomento N fi,, t Rd -resistênci de cálculo em situção de,no t, de um brr trciond ou comprimid em situção de R fi, d, t - resistênci de cálculo no t, em situção de

5 5/5 S fi, d - solicitção de cálculo em situção de T, T g - do ço e dos gses ( C) T,t, T g,t - do ço e dos gses no t c, c m - clor específico do ço e clor específico do mteril de proteção contr f u - limite de resistênci, 2 C, dos ços lmindos quente f y, f y,t - limite de escomento dos ços lmindos quente, 2 C e em elevd respectivmente ḣ - vlor do fluxo de clor por unidde de áre (W/m 2 ).. h c, h r -componente do fluxo de clor por convecção e por rdição k - ftor de correção pr não-uniforme n seção trnsversl de um elemento estruturl k 2 - ftor de correção pr não-uniforme o longo do comprimento do elemento ket, = ET/ E -ftor de redução pr o módulo de elsticidde kyt, = f yt, / f y- ftor de redução pr o limite de escomento dos ços t - de resistênci t m - espessur do mteril de proteção contr u - perímetro do elemento estruturl exposto o u m - perímetro efetivo do mteril de proteção contr α c - coeficiente de trnsferênci de clor por convecção ε res - emissividde resultnte φ fi, - coeficiente de resistênci do ço λ - prâmetro de esbeltez λ p - prâmetro de esbeltez correspondente à plstificção λ r - prâmetro de esbeltez pr brrs comprimids correspondente o início do escomento λ, λ T - prâmetro de esbeltez pr brrs comprimids em mbiente e em elevd respectivmente ρ - mss específic do ço igul 785 kg/m 3 ρ fi - ftor de redução d resistênci de brrs xilmente comprimids em situção de ρ m -mss específic do mteril de proteção contr (kg/m 3 ) λ, λ m - condutividde térmic do ço e do mteril de proteção 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ações e segurnç ns estruturs. NBR 868. Rio de Jneiro ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto e execução de estruturs de ço de edifícios. NBR 88. Rio de Jneiro EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDISATION. ENV Eurocode : Bsis of design nd ctions on structures, Prt 2.2: Actions on structures exposed to fire. Brussels EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDISATION. ENV Eurocode 3: Design of steel structures, Prt.2: Structurl fire design.brussels PETTERSSON,O.; MAGNUSSEN,S.; THOR, J.; Fire engineering design of steel structures. Swedish Institute of Steel Construction. Stockholm SILVA,V.P.; PIMENTA,P.M. Digrm Tensão- Deformção dos Aços Estruturis Submetidos Alts Temperturs. Boletim Técnico BT/PEF/959. Escol Politécnic. São Pulo SILVA, V. P.; PIMENTA, P.M.; Determinção d Curv Tempertur-Tempo de um Incêndio Nturl Comprtimentdo, Boletim Técnico BT/PEF/EPUSP/9624. Escol Politécnic. São Pulo * Vldir Pigntt e Silv - Professor d Escol Politécnic d Universidde de São Pulo. Este número foi ptrocindo pel: ENGEFIRE DO BRASIL Av. Goiás, 97 - CEP São Cetno do Sul - São Pulo Fone/Fx.: () e Publicção do Grupo de Pesquis em Segurnç contr Incêndio do Núcleo de Pesquis em Tecnologi d Arquitetur e do Urbnismo d Universidde de São Pulo - GSI/NUTAU/USP NUTAU - Ru do Anfitetro, 8 - Colméi - Fvo 6 - Cidde Universitári São Pulo - Brsil / Telefx: () / e-mil: nutu@org.usp.br