DIMENSIONAMENTO DE PILARES TUBULARES DE AÇO PREENCHIDOS COM CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

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1 Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural Maio / 2006 ISB ormalização Trabalho JOR p DIMESIOAMETO DE PILARES TUBULARES DE AÇO PREECHIDOS COM COCRETO EM SITUAÇÃO DE ICÊDIO A. O. Rigazzo (1), A. L. Moreno Jr. (2), J. A. V. Requena (3), A. E. P. G. A. Jacintho (4) (1) UICAMP - Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Depto de Estruturas, Cx. Postal 6021 CEP Campinas-SP - Brasil - rigazzo@fec.unicamp.br (2) UICAMP - Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Depto de Estruturas, Cx. Postal 6021 CEP Campinas-SP - Brasil almoreno@fec.unicamp.br (3) UICAMP - Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Depto de Estruturas, Cx. Postal 6021 CEP Campinas-SP - Brasil requena@fec.unicamp.br (4) UICAMP - Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Depto de Estruturas, Cx. Postal 6021 CEP Campinas-SP - Brasil paganell@fec.unicamp.br RESUMO A BR 14323[1] apresenta dois métodos de dimensionamento de pilares mistos em situação de incêndio: o tabular e o analítico. esse artigo, é feita uma discussão desses métodos, visando-se o esclarecimento de questões não tratadas na referida norma. A principal dessas questões é a obtenção das temperaturas em pontos diferentes da seção transversal mista, de modo que se possa calcular as propriedades do aço e do concreto para essas temperaturas e, assim, proceder ao dimensionamento do pilar. Além disso, pretende-se, neste trabalho, realizar uma breve discussão sobre os tempos requeridos de resistência ao fogo TRRF que são mencionados na norma supracitada, pressupondo-se conhecimentos prévios por parte dos profissionais de engenharia quanto a aplicação dos mesmos. Palavras-chave: Pilares Mistos, Situação de Incêndio, Dimensionamento, Aço, Concreto. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1401

2 1 ITRODUÇÃO O concreto associado ao aço surgiu como uma alternativa simples e pouco onerosa de proteção contra o fogo e a corrosão e, portanto, sem função estrutural. Essa idéia de proteção dos pilares metálicos impulsionou o surgimento dos primeiros pilares mistos aço-concreto e, desde então, a técnica passou por grande evolução, apresentado hoje variações no arranjo e composição desses materiais. Os pilares mistos podem ser classificados em revestidos e preenchidos. os do primeiro tipo o concreto envolve o perfil de aço, enquanto nos do segundo, os perfis de aço são preenchidos com concreto de qualidade estrutural. Especificamente em relação aos pilares preenchidos, podem ser destacadas algumas vantagens econômicas, estruturais e construtivas, tais como: redução das dimensões dos elementos estruturais, com conseqüente economia de materiais e mãode-obra e maior área livre por pavimento; resistência e rigidez elevadas, especialmente com o advento dos aços e concretos de alta resistência; ausência de fôrmas e possibilidade de eliminar ou reduzir armaduras, propiciando economia de materiais e mão-de-obra, redução do desperdício de materiais e rapidez de execução. Além das vantagens citadas anteriormente, alguns trabalhos experimentais apontam para um melhor comportamento estrutural em situação de incêndio dos pilares mistos preenchidos quando comparados aos pilares tubulares metálicos. os pilares mistos, o núcleo de concreto funciona como um dissipador de calor, aumentando a resistência a elevadas temperaturas. De fato, alguns trabalhos de pesquisas sobre pilares mistos preenchidos em situação de incêndio mostram que, embora o material concreto não esteja envolvendo o perfil metálico, esse tipo de elemento misto oferece melhorias frente à ação do fogo, quando comparado a pilares metálicos. esse sentido, BAILEY e EWMA[2] afirmam que os pilares mistos preenchidos podem resistir a até 3 horas de ação do fogo, conforme ensaio padronizado ISO 834. Segundo esses pesquisadores, com a elevação da temperatura parte da carga resistida pelo perfil metálico é transferida para o núcleo de concreto, que, por sua vez, perde resistência e rigidez mais lentamente que o perfil tubular, aumentando o tempo de resistência ao fogo. HA et al [3] analisaram a relação entre o nível de carga dos pilares submetidos a elevadas temperaturas e algumas variáveis de projeto, a saber: perímetro da seção transversal, esbeltez, resistência do aço do tubo metálico e resistência do concreto. O nível de carga é a razão entre o carregamento imposto ao pilar na situação de incêndio e a resistência última do mesmo em temperatura ambiente e tem como função permitir a avaliação da resistência ao fogo dos elementos sob um carregamento em serviço. Os pesquisadores construíram curvas do tempo de resistência ao fogo pelo nível de carregamento e os resultados mostraram que o perímetro da seção (diretamente ligado ao volume de concreto no interior do tubo) e a esbeltez dos pilares exercem maior influência na resistência ao fogo do que a tensão de escoamento do aço e o f ck do concreto. Essa conclusão é importante, pois permite o entendimento que, em termos de resistência ao fogo, é mais interessante aumentar a seção transversal dos pilares do que a resistência do concreto do preenchimento e do aço do tubo metálico. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1402

3 2 DIMESIOAMETO DE PILARES MISTOS EM SITUAÇÃO DE ICÊDIO A BR 14323[1] apresenta em seu anexo B dois métodos simplificados para dimensionamento de pilares mistos em situação de incêndio: o tabular e o analítico. Método Tabular: O método tabular, como sugere o nome, utiliza-se de tabelas para a realização do dimensionamento. Essas tabelas são válidas para cargas axiais e excêntricas, entretanto, deve-se respeitar algumas condições para a validade das mesmas. A estrutura deve ser contraventada e o incêndio deve ser limitado a apenas um andar e, neste andar, o pilar a ser dimensionado deve estar sujeito a temperatura uniforme em todo seu comprimento. Além disso, as tabelas para dimensionamento são válidas para pilares com comprimento máximo de 30 vezes a menor dimensão externa da seção transversal. o caso de pilares mistos preenchidos com concreto, a tabela da norma a ser utilizada é a tabela B.4. Para a utilização da mesma é necessário determinar o nível de carga do pilar, dado pela seguinte expressão: n fi Sd = (1) Rd Onde, Sd é a força normal de compressão solicitante de cálculo no pilar em situação de incêndio e Rd é a força normal de compressão resistente à temperatura ambiente. Para cálculo da Rd deve-se tomar o comprimento de flambagem do pilar igual a duas vezes o comprimento do pilar em situação de incêndio. Além disso, no caso de forças excêntricas, Rd deve ser igual à máxima força normal que pode atuar no pilar, levando-se em conta os momentos fletores, de acordo com o anexo R da BR 8800[4]. o caso específico dos pilares mistos preenchidos, a BR 14323[1] impõe algumas outras condições para a utilização do método tabular, a saber: Independentemente das características do aço do perfil tubular, deve ser considerado para a resistência ao escoamento o valor máximo de 250 MPa. A espessura da parede do tubo de aço não pode exceder 1/25 do menor lado da seção retangular ou 1/25 do diâmetro para tubos circulares. ão devem ser consideradas taxas de armadura maiores que 3% e o aço das armaduras deve ser CA-50 ou equivalente. Definidos os parâmetros do método tabular, a figura 1 mostra a tabela B.4 da BR [1] para dimensionamento de pilares mistos preenchidos em situação de incêndio. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1403

4 Figura 1 Tabela B.4 da BR 14323[1] para pilares mistos preenchidos Método Analítico: Com relação ao método analítico da BR 14323[1], a resistência de pilares mistos em situação de incêndio submetidos à compressão axial é dada pela seguinte equação: Rd χ fi pl, Rd = (2) essa equação χ fi é um fator de redução associado à curva de resistência à compressão c da BR 8800[4], obtido a partir do índice de esbeltez reduzido. pl,rd é a força normal de plastificação em situação de incêndio calculada pela equação 3. fi ( Aa, fa máx, ) + ( As, fs máx, ) ( Ac, fckn, ), pl, Rd = + (3) j k Onde: ( Aa, f a máx, ) é o somatório dos produtos da área dos elementos j componentes do perfil de aço pelo limite de escoamento do aço do mesmo. m Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1404

5 ( As f s máx, ) k, é o somatório dos produtos da área das barras da armadura (quando houver) pelo limite de escoamento do aço das mesmas. A,, é o somatório dos produtos dos elementos de área do concreto ( c f ckn ) m pela resistência característica à compressão desse material. O índice de esbeltez reduzido em situação de incêndio é definido na norma no item B da BR 14323[1] como sendo: pl, Rd λ 0, = (4) cr Onde, cr é a força normal de flambagem elástica em situação de incêndio definida como: π ( EI) 2 eff cr = 2 (5) l fl, Onde, l fl, é o comprimento de flambagem do pilar em situação de incêndio e (EI) eff é a rigidez à flexão efetiva para a seção mista, dada por: ( ϕ a, Ea, Ia ) + ( ϕ s, Es, I s ) ( ϕc, Ecun, Ic ) ( EI) eff = + (6) j k Onde, I a, I s e I c são os momentos de inércia da seção transversal para o tubo de aço, para a armadura e para o concreto, respectivamente. Enquanto que E a,, E s, e E cun, são os módulos de elasticidade em situação de incêndio do aço do tubo, do aço da armadura e do concreto respectivamente. Os coeficientes ϕi são dependentes das tensões térmicas e tabelados na BR 14323[1] (Tabela B.5 da norma), em função do tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF). O módulo de elasticidade secante do concreto à temperatura em que o mesmo se encontra é definido no item B3.1.7 da BR 14323[1] como: m E = cun, f ckn, ε cun, (7) Onde fckn, e ε cun, são obtidos através de fatores de redução tabelados, em função da temperatura, no item da referida norma. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1405

6 3 COCEITOS IMPORTATES PARA REALIZAÇÃO DO DIMESIOAMETO Uma vez apresentados os dois métodos de cálculo da BR 14323[1], torna-se necessária a discussão de algumas questões. o caso do método analítico, o dimensionamento é realizado utilizando-se as propriedades do aço e do concreto na temperatura em que esses materiais se encontram na situação de incêndio. Entretanto, a BR 14323[1] não apresenta um modelo de cálculo para a determinação dessas temperaturas, a partir da temperatura do ambiente em chamas. Além disso, tanto no método tabular, quanto no analítico é necessário compreender o conceito representado pelos tempos requeridos de resistência ao fogo (TRRF), que são utilizados no dimensionamento. Deste modo, faz-se necessária uma discussão um pouco mais detalhada sobre os princípios que regem o dimensionamento de elementos estruturais mistos em situação de incêndio. Em um ambiente em chamas, a diferença de temperatura entre os gases quentes desse ambiente e a estrutura, gera uma ação térmica sobre os elementos estruturais. Essa ação térmica é proveniente de um fluxo de calor por radiação e convecção. Esse fluxo de calor, por sua vez, provoca um aumento de temperatura nos componentes da estrutura e, esse aumento elevado de temperatura causa redução de resistência e rigidez e, em estruturas hiperestáticas, produz esforços solicitantes adicionais. Portanto, para se dimensionar um elemento estrutural em situação de incêndio é necessário que se considere essa redução de resistência e rigidez dos materiais que compõem esse elemento e os prováveis esforços solicitantes adicionais, provenientes da ação térmica. Segundo SILVA [5], uma situação de incêndio real pode ser dividida em três fases. Uma fase inicial de ignição, com baixas temperaturas, na qual se o incêndio for controlado e extinto não é necessário que o mesmo seja levado em conta no dimensionamento estrutural. Uma segunda fase de aquecimento rápido, chamada de flashover, na qual ocorre uma inflamação generalizada. E, por fim, uma fase de resfriamento após o esgotamento de todo material combustível do ambiente. Um incêndio real pode ser modelado de modo a se obter uma curva temperatura pelo tempo aproximada, através de um método chamado de modelo do incêndio natural. Para isso, é necessário saber a quantidade de material combustível do ambiente, chamada de carga de incêndio, o grau de ventilação do compartimento em chamas e as características térmicas dos materiais de vedação. Como na prática a aplicação do modelo do incêndio natural é bastante trabalhosa e requer um estudo de cada caso, é comum, por simplificação, adotar-se curvas temperatura-tempo padronizadas, que não representam um incêndio real. Essas curvas são associadas a tempos padronizados de resistência ao fogo, e esses tempos, por sua vez, são resultado de consenso entre o meio técnico. Dentre essas curvas temperatura-tempo padronizadas a mais utilizada no Brasil é a curva ISO 834. A figura 1 apresenta a curva ISO comparada a uma curva típica de um incêndio real (curva pontilhada). Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1406

7 Figura 2 Curvas temperatura x tempo ISO 834 x incêndio real (SILVA [5]) Os tempos padronizados de resistência ao fogo, chamados TRRF (tempo requerido de resistência ao fogo), são definidos no Brasil através da BR 14432[6] em função do uso/ocupação e da altura da edificação. Esses tempos não podem ser confundidos com a duração de um incêndio real, uma vez que são tempos fictícios associados à curva padrão, e que, por consenso do meio técnico, permitiriam uma desocupação segura da edificação. Através desses tempos padronizados pode-se obter na curva de incêndio padrão a temperatura fictícia dos gases do ambiente e, através dessa temperatura, uma temperatura no elemento estrutural, que será usada no dimensionamento do mesmo. Tomando-se, por exemplo, um pilar de aço sem proteção térmica, pode-se através da temperatura obtida na curva padrão calcular a temperatura no pilar através das seguintes equações: F a = h t (8) caρa Onde: a = Variação de temperatura no aço F = Fator de massividade (perímetro/área) c a = Calor específico do aço ρ a = massa específica do aço h = fluxo de calor por unidade de área Sendo que o fluxo de calor é a soma do fluxo de calor por radiação mais o fluxo de calor por convecção, dados pelas equações 9 e 10. h 4 ( ( t) + 273) ( ( t t) 273) ) 4 8 r ( t) = 5,7x10 0,5 g a + (9) ( ( t) ( t )) h ( t) = 25 t (10) c g a Onde, g é a temperatura dos gases e a a temperatura no aço. o caso de pilares mistos preenchidos a determinação da temperatura é muito mais complexa, pois além do fluxo de calor por radiação e convecção dos gases quentes para o aço, temos troca de calor entre o tubo de aço e o núcleo de concreto, que estão em temperaturas diferentes. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1407

8 o caso dos pilares mistos, tem-se, portanto, temperaturas diferentes em vários pontos da seção transversal. LIE e WHITE [7] apresentaram um método para a determinação da temperatura ao longo da seção transversal de pilares mistos. Esse método consiste na divisão da seção em diversas camadas que compreendem todas as regiões que a compõe, ou seja, a região da interface entre o tubo de aço e os gases quentes do ambiente, a região do interior do tubo de aço, a região da interface entre o tubo e o núcleo de concreto e, por fim, a região do interior do concreto. Uma vez feita a divisão da seção transversal, as temperaturas são determinadas em pontos contidos nessas regiões, através de equações bastante complexas, que não serão transcritas para este artigo, mas que podem ser consultadas na referência citada. A figura 3 apresenta um exemplo de divisão da seção transversal de um pilar misto pelo método de LIE e WHITE [7]. Figura 3 Divisão da seção transversal em camadas Vale ressaltar também, que os autores também propõem em seu trabalho uma solução numérica para obtenção das temperaturas na seção mista, através da utilização do método dos elementos finitos. De qualquer forma, uma vez determinadas as temperaturas no aço e no concreto, pode-se obter as propriedades desses materiais para essas temperaturas e proceder ao dimensionamento do pilar misto preenchido através do método analítico da BR 14323[1]. Deste modo, para realização do dimensionamento através do método analítico temos a seqüência esquemática representada pela figura 4. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1408

9 TRRF (TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊCIA AO FOGO) TEMPERATURA CORRESPODETE A CURVA PADRÃO TEMPERATURA O ELEMETO ESTRUTURAL (CORRESPODETE À TEMPERATURA DA CURVA PADRÃO) DETERMIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS (PARA A TEMPERATURA EM QUESTÃO) DIMESIOAMETO (MÉTODO AALÍTICO) Figura 4 Dimensionamento utilizando curva padrão e método analítico. o caso do método tabular, apenas define-se o tempo requerido de resistência ao fogo e o nível de carga do pilar (equação 1) e, de posse desses parâmetros, procedese ao dimensionamento através da tabela B.4 da BR 14323[1] (figura 1). 4 COCLUSÕES esse artigo foi feita uma discussão dos dois métodos de cálculo de pilares mistos preenchidos apresentados na BR 14323[1], buscando-se discutir algumas questões pouco esclarecidas na referida norma. Deste modo, foram abordados aspectos importantes que norteiam o dimensionamento desses elementos estruturais, como por exemplo, os tempos requeridos de resistência ao fogo e sua relação com a curva tempo-temperatura padronizada. Também foi discutida a necessidade de se conhecer métodos analíticos ou numéricos para obtenção, a partir da temperatura associada à curva padrão, da temperatura no aço e no concreto para que se possa proceder ao dimensionamento. Assim sendo, foi citado nesse trabalho o método desenvolvido por LIE e WHITE [7], que permite a obtenção dessas temperaturas. 5 AGRADECIMETOS Os autores agradecem a V&M do Brasil pelo financiamento deste trabalho. REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ORMAS TÉCICAS. Projeto de Revisão da BR 14323:1999. Dimensionamento de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas Aço-Concreto de Edifícios em Situação de Incêndio. BR , [2] BAILEY C. G.; EWMA G. M. The Design of steel framed buildings without applied fire protection. The Structural Engineer, V.76, 3, p , March Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1409

10 [3] HA, L. H.; YAG, Y. F.; XU, L. An experimental study and calculation on the fire resistance of concrete-filled SHS and RHS columns. Journal of Constructional Steel Research, V.59,.4, p , [4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ORMAS TÉCICAS. Projeto de Revisão da BR 8800:1986. Projeto e Execução de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas Aço-Concreto de Edifícios. BR , [5] SILVA, V. P. Estruturas de aço em situação de incêndio. 256p. ISB Zigurate Editora. São Paulo Re-edição [6] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ORMAS TÉCICAS. Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações - Procedimento. BR 14432, [7] LIE, T. T.; WHITE, R. H. Structural Fire Protection. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice,. 78. Anais das XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. 1410