UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA Curso de Engenharia Civil Departamento de Mecânica Aplicada e Estruturas

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLIÉCNICA Curso de Engenharia Civil Departamento de Meânia Apliada e Estruturas ANÁLISE DE REFORÇO ESRUURAL DE PILAR MISO UBULAR PREENCHIDO COM CONCREO EM SIUAÇÃO DE INCÊNDIO JOÃO FLÁVIO BRAZ MACHADO Projeto de Graduação apresentado ao orpo doente do Departamento de Meânia Apliada e Estruturas da Esola Politénia da Universidade Federal do Rio de Janeiro, omo requisito para obtenção do título de Engenheiro Civil. Aprovado por: Eduardo de Miranda Batista (Orientador) Proessor Assoiado, D.S., EP/UFRJ Alexandre Landesmann (Co-orientador) Proessor Adjunto, D.S., FAU/UFRJ Sérgio Hampshire de Carvalho Santos Proessor Assoiado, D.S., EP/UFRJ Novembro / 2010

2 Agradeimentos A Deus que me proporionou a determinação neessária para hegar até aqui. A minha avó Zulmira que me orneeu um modelo de vida a ser seguido. A minha mãe Estela pelo apoio e investimento. Sou grato a voê pelo esorço que ez para que eu hegasse até aqui. A minha querida esposa, Silvana, que me auxiliou na elaboração e orreção deste projeto, e me apoiou em todos os momentos em que eu iquei desmotivado. Ao meu orientador, Proessor Eduardo de Miranda Batista, pela ompetênia, abnegação e aonselhamento minha sinera gratidão. Ao Proessor Alexandre Landesman, pela valiosa o-orientação, pelo importante estímulo nas diversas etapas do desenvolvimento deste trabalho de pesquisa, sempre om uma pré-disposição inigualável, e por ter sido ao longo desta etapa um grande amigo. A proessora Paula Farenena Viero pela valiosa orientação aadêmia, pelas palavras de aonselhamento e simpatia ao longo do urso. Ao Proessor Sérgio Hampshire de Carvalho Santos, pela onstante atenção, inentivo, apoio e amizade. A Proessora Cláudia Ribeiro Éboli, pelo apoio, arinho e ompreensão demonstrados durante muitas etapas do urso. Ao doutorando do PEC-COPPE/UFRJ Júlio César Silva, pelo auxílio às dúvidas que tive ao oneionar este trabalho. 2

3 A todos meus olegas de trabalho do Corpo de Bombeiros da Ilha do Governador, em espeial, aos meus Comandantes: Coronel Luente e enente Coronel Amaury pelo onstante inentivo, ompreensão, onselhos e amizade no deorrer desta jornada. A todos meus olegas da ênase em estruturas, espeialmente, Kelliton Vasonelos, Júlio Paher, Helena Fidélis e elmo Rezende, pela amizade, ompanheirismo e diversas olaborações neste período de onvivênia. À UFRJ, em partiular, ao Departamento de Meânia Apliada e Estruturas, representado por todos seus Proessores e Funionários, o meu sinero agradeimento. 3

4 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Esola Politénia/ UFRJ omo parte dos requisitos neessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil. Análise de Reorço Estrutural de Pilar Misto ubular Preenhido om Conreto em Situação de Inêndio João Flávio Braz Mahado Novembro/2010 Orientadores: Eduardo de Miranda Batista, Alexandre Landesmann. Curso: Engenharia Civil O dimensionamento de pilares mistos é uma atividade omum na rotina dos engenheiros de estruturas. Porém, no que tange a analisar estes elementos a situações de inêndio, propriamente dito, o assunto passa a ser um tanto quanto dierente no enário da engenharia ivil brasileira. O enoque deste trabalho é avaliar para um tempo de resistênia ao ogo, determinado om o auxílio da NBR (2001), se a estrutura de um pilar misto da utura Bibliotea Uniiada do Centro de enologia da UFRJ, suportará a um inêndio om temperaturas próximas a 1000 o C. Para tanto, oi utilizado o programa SAFIR da Universidade de Liège da Bélgia para a análise térmia da estrutura, sendo os dados de saída do programa trabalhados por uma planilha, que teve seus dados interpolados e tratados segundo a NBR (2003). Como resultado a planilha ornee a resistênia de ada um dos materiais ontidos no pilar misto, que oram ilustrados em um gráio. Com isto, oi eita a análise da redução da resistênia dos materiais ao longo do tempo enontrado. Palavras-have: Pilar Misto. Inêndio. Reorço Estrutural. 4

5 Abstrat o Undergraduate Projet presented to POLI/UFRJ as a partial ulillment o the requirements or degree o Engineer. Analysis o Strutural Reinorement Pillar ubular Mixed Conrete Filled with Fire Situation João Flávio Braz Mahado November/2010 Advisors: Eduardo de Miranda Batista, Alexandre Landesmann. Course: Civil Engineering he design o omposite olumns is a ommon ativity in the routine o strutural engineers. But when it omes to analyzing these ators in ire situations, stritly speaking, the matter beomes somewhat dierent senario in the Brazilian ivil engineering. he ous o this study is to evaluate to a time o ire resistane, determined with the aid o NBR (2001), i the struture o a pillar o the uture Joint Uniied Library ehnology Center o UFRJ, will support a ire with temperatures lose to 1000 o C For this, we used the SAFIR program at the University o Liege in Belgium or the thermal analysis o the struture, the output data rom a spreadsheet program worked, whih had its interpolated data and proessed aording to NBR (2003). As a result o the spreadsheet provides the strength o eah pillar in the mixed materials, whih were illustrated in a hart. With this, the analysis was done to redue the strength o the materials ound over time. Keywords: Joint Pilar. Fire. Strutural Reinorement. 5

6 ÍNDICE CAPÍULO 1: INRODUÇÃO Motivação Importânia da análise estrutural no ontexto de um inêndio Objetivos espeíios e justiiativas Desrição do trabalho CAPÍULO 2: MEODOLOGIA Materiais de proteção térmia ipos de materiais Propriedades térmias dos materiais sob altas temperaturas Condutividade térmia Calor espeíio Massa espeíia Comportamento meânio dos materiais sob altas temperaturas: Degradação das propriedades meânias dos materiais Alongamento espeíio CAPÍULO 3: ESUDO DE CASO E RESULADOS Determinação do empo Requerido de Resistênia ao Fogo Determinação da altura da ediiação Consulta das tabelas A1 e B1 dos anexos A e B da NBR (2001) Resultados numérios Identiiação e desrição da seção transversal emperatura Variação da resistênia CAPÍULO 4: CONCLUSÕES E SUGESÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS

7 Lista de símbolos: Letras romanas A m a m E E n área da seção-transversal material de proteção térmia alor espeíio do aço alor espeíio do onreto alor espeíio do material de proteção ontra inêndio módulo de elastiidade tangente iniial do aço à temperatura ambiente módulo de elastiidade seante iniial no limite de resistênia à ompressão do onreto de densidade normal à temperatura ambiente E n,θ módulo de elastiidade seante iniial no limite de resistênia à ompressão do onreto de densidade normal em temperatura elevada E θ módulo de elastiidade tangente iniial do aço laminado a quente em temperatura elevada kn resistênia araterístia à ompressão do onreto de densidade normal a 20 C kn,θ resistênia araterístia à ompressão do onreto de densidade normal a uma temperatura θ y resistênia ao esoamento à temperatura ambiente dos aços laminados p limite de proporionalidade entre as tensões e as deormações u resistênia a ruptura do aço à temperatura ambiente y, resistênia ao esoamento dos aços laminados em temperatura elevada l a omprimento do elemento em situação de inêndio temperatura do aço temperatura do onreto 7

8 Letras gregas: a n m ondutividade térmia do aço ondutividade térmia do onreto de densidade normal ondutividade térmia do material de proteção ontra inêndio κ n,θ ator de redução para a resistênia araterístia à ompressão do onreto de densidade normal em temperatura elevada relativo ao valor à temperatura ambiente κ En,θ ator de redução para o módulo de elastiidade do onreto de densidade normal em temperatura elevada relativo ao valor à temperatura ambiente κ y,θ ator de redução para a resistênia ao esoamento dos aços laminados em temperatura elevada relativo ao valor à temperatura ambiente κ E,θ ator de redução para o módulo de elastiidade dos aços em temperatura elevada relativo ao valor à temperatura ambiente a n m θ 0 θ a massa espeíia do aço massa espeíia do onreto de densidade normal massa espeíia do material de proteção temperatura do ambiente em um dado instante temperatura do ambiente antes do iníio do aqueimento temperatura do aço θ max temperatura máxima dada pela ase de aqueimento 8

9 1. Introdução Capítulo 1: INRODUÇÃO 1.1 Motivação O ogo sempre asinou o Homem, quer pela sua utilidade, quer pelo seu alto poder de destruição. O seu domínio, que oorreu há anos, oi provavelmente a primeira transormação químia que a espéie humana aprendeu a utilizar para ailitar seu dia-a-dia. Sem o ogo, a ivilização seria radialmente dierente, provavelmente, nem mesmo existiria. Contudo, mesmo om sua ontribuição no desenvolvimento de nossa soiedade, as perdas humanas e os prejuízos materiais, originados por inêndios ora de ontrole, têm ressaltado ao longo da História a importânia da onsideração da segurança ontra inêndio nos projetos de engenharia ivil. Inelizmente, o tema: segurança ontra inêndios, somente reebe a mereida atenção após sérios e atais aidentes, omo por exemplo: a) O histório Grande Inêndio de Londres oorrido no ano de 1666; b) A tragédia do ediíio Andraus, em 24 de Fevereiro de 1972; ) O sinistro inêndio que oorreu no Ediíio Joelma, em 1 o de Fevereiro de 1974, onde morreram, respetivamente, 16 e 189 pessoas; d) O inêndio do Ediíio Andorinhas no Centro do Rio de Janeiro, oorrido em Fevereiro de 1986, onde 20 pessoas morreram e 50 iaram eridas, itando-se ainda o reente ataque às torres gêmeas do World rade Center, oorrido em 11 de Setembro de 2001, na idade de Nova Iorque nos Estados Unidos. A utilização de estruturas mistas aço-onreto omo partido estrutural, no âmbito industrial, omerial, ou mesmo residenial, deve-se a diversas vantagens destes materiais em relação aos demais materiais empregados na onstrução ivil, podendo-se destaar: a) Veloidade e ailidade na montagem de estruturas; b) Vantagens nas undações devido ao baixo peso próprio das estruturas; ) Relativo baixo usto em 9

10 unção de sua elevada resistênia estrutural. Contudo, as estruturas de aço ainda são tratadas om uma partiular e injustiiada desoniança em relação ao seu desempenho em situações de inêndio. al ato undamenta-se na vulnerabilidade deste material, sob ondições de temperaturas elevadas. Neste aso, o aço apresenta deormação onsiderável e gradual de suas propriedades de resistênia e rigidez, as quais preisam ser uidadosamente onsideradas nas análises de estruturas sob ogo. Importantes pesquisas experimentais, numérias e analítias, onduzidas nos últimos anos sobre o omportamento de estruturas sob ondições de inêndio, têm possibilitado o desenvolvimento de avaliações de segurança estruturais ada vez mais soistiadas sobre o real desempenho de ediíios sob ogo. Com base nas onlusões extraídas destes estudos, airma-se que as estruturas de aço, por exemplo, podem ser dimensionadas para resistirem a qualquer nível de resistênia ao ogo (SOLLARD e JOHNSON, 1994). A solução omumente adotada na prátia de projetos de engenharia para a onsideração de ações relaionadas a inêndios em ediiações resume-se na espeiiação de uma determinada quantidade de material de revestimento e proteção térmia, a ser apliada nos prinipais elementos estruturais potenialmente atingidos pelo ogo. Entretanto, o uso indisriminado dessa solução ténia normalmente resulta em uma desaraterização dos prinipais beneíios trazidos pelos materiais empregados no partido estrutural. Nestes asos, mesmo que os prinipais objetivos previstos pelo projeto de segurança ontra inêndio minimização de perdas humanas e materiais tenham sido atingidos, deixa de existir uma harmonização entre as demais araterístias previstas para a ediiação, tais omo: unionais, estétias e eonômias. 10

11 Para tanto, torna-se impresindível veriiar a resistênia das estruturas mistas em situação de inêndio, om o objetivo de evitar um possível olapso estrutural. Desta maneira a segurança dos usuários da ediiação é garantida e os prejuízos são minimizados. 1.2 Importânia da análise estrutural no ontexto de um inêndio Inêndios reais desenvolvem-se e deaem de aordo om o balanço de massa e energia ontidos num determinado ompartimento aetado pelo ogo. A energia liberada depende, além da quantidade e do tipo de elemento ombustível disponível, das ondições de ventilação. Em outras palavras, desreve-se o triângulo do ogo, que é araterizado pela omposição de três elementos undamentais e esseniais para que se mantenham as ondições de inêndio, que são: material oxidável (ombustível), material oxidante (omburente) e onte de ignição (alor). A remoção de qualquer um destes omponentes aarreta na extinção do ogo, onorme mostrado na Figura 1.1. Figura 1.1: riângulo do ogo. De um modo geral, inêndios naturais podem ser representados por três ases distintas, deinidas omo: resimento, desenvolvimento e deaimento, onorme ilustrado na Figura

12 emperatura pré-lashover pós lashover o C ignição iníio do ogo lashover ~ 300 o C resimento urva de inêndio natural urva de inêndio padronizado (ISO 834) empo desenvolvimento deaimento Figura 1.2: Fases de um inêndio natural, omparadas om urva padronizada temperatura-tempo. Na primeira ase de um inêndio natural, ou ase de resimento, iniia-se o proesso de queima parial dos materiais ombustíveis, oasionando a produção de umaça e de pequenas quantidades de alor. Nesta ase, a temperatura ambiente aumenta progressivamente até que se atinja um valor araterístio de temperatura, denominado omo lashover. Este instante, assoiado a uma temperatura aproximada de 300 o C, deine o ponto onde todos os materiais orgânios entram em proesso de ombustão espontânea, sendo, a partir deste momento, inviável o ombate ao inêndio quer pela atuação de sistemas automátios de extinção, quer pela ação de equipes do Corpo de Bombeiros. Após o término da queima de todos os materiais ombustíveis disponíveis, que delimita a ase de resimento (Fig. 1.2), a temperatura no ambiente atinge seu valor 12

13 máximo, entre 1000 e 1200 o C, omeçando a deair progressivamente. A partir deste ponto, tem-se então o iníio do estágio de arreeimento, ou ase de deaimento, também denominada de zona pós-lashover. Durante a ase de resimento, ou zona pré-lashover (Fig. 1.2), quando o inêndio ainda se enontra em um estágio bastante prematuro de seu desenvolvimento, sistemas ativos de ombate a inêndio podem unionar eiientemente na prevenção da ignição. Nestes asos, a utilização de sistemas de extinção automátia, omo por exemplo, rede de huveiros automátios do tipo sprinklers, além de auxiliar na extinção e limitação da propagação do ogo, ontribuem substanialmente para a redução dos níveis de umaça e de temperatura nos ompartimentos aetados. Por sua vez, a provisão de detetores automátios de umaça, hama e alor possibilita uma rápida omuniação aos oupantes da ediiação sobre a oorrênia de proessos de ignição, maximizando assim o tempo de uga. Além disso, viabilizam uma pronta intervenção das equipes de ombate a inêndio, reduzindo-se onsideravelmente a possibilidade de se atingir o ponto de lashover. Alternativamente à utilização de sistemas ativos de ombate ao ogo, omo por exemplo, sistemas de deteção e extinção automátios, uma seleção uidadosa dos materiais a serem adotados na omposição de ehamentos e aabamentos da ediiação na medida do possível antiinlamáveis possibilita uma redução signiiativa dos risos de ignição e de propagação do ogo. Além disso, os materiais empregados podem ser seleionados de modo a gerar quantidades mínimas de umaça, assegurando boa visibilidade para esape dos oupantes, minimizando assim riso de asixia prinipal ausa de morte em inêndios. O armazenamento seguro de materiais inlamáveis, adequada manutenção das instalações elétrias, disposição suiiente de equipamentos de ombate ao ogo, apropriada utilização de portas orta-ogo, além do onstante 13

14 treinamento dos oupantes, são alguns dos exemplos impresindíveis na redução do riso de ignição. As onsiderações anteriormente menionadas, de prevenção ontra ignição e de ontrole da propagação, azem parte de um onjunto de medidas de segurança ontra ogo, disponíveis para o projetista, para que os objetivos prinipais da Engenharia de Inêndio possam ser atingidos. Assim, apresenta-se esquematiamente na Figura 1.3, um resumo das prinipais alternativas omumente adotadas na segurança ontra inêndio de ediiações. objetivos reduzir riso à propriedade minimizar riso à vida prevenir ignição ontrolar propagação reduzir riso de olapso estrutural ailitar esape Figura 1.3: Medidas de segurança ontra inêndio em ediiações. Observa-se na Figura 1.3 que aparte das medidas omuns aos objetivos estabeleidos, a ailidade de uga, prioriza exlusivamente a minimização de perdas humanas. al medida, que é notoriamente reonheida omo o mais eiiente meio de redução de atalidades, está intimamente relaionada om a habilidade dos oupantes enontrarem rapidamente as rotas de uga. Contudo, o omportamento humano em ondições de inêndio india que a resposta para tais situações de perigo é bastante lenta. Deste modo, ressalta-se, além da neessidade de onstantes treinamentos e de 14

15 liberação de umaça e alor para a atmosera, a eetiva garantia de que as estruturas apresentem ondições mínimas de resistênia ao ogo, possibilitando assim o esape seguro de todos os oupantes. A suposição de que um inêndio natural possa atingir ondições de perda de ontrole ( lashover ), antes da atuação dos sistemas de ombate a inêndio e de brigadas de inêndio, eleva onsideravelmente o riso de olapso estrutural. Neste enário, a minimização dos risos assoiados ao olapso, somente pode ser alançada através da oniliação entre sistemas de ompartimentalização e de adequadas avaliações de resistênia estrutural. A adoção de sistemas de proteção passiva na prevenção do olapso estrutural, normalmente araterizados pela apliação de materiais de revestimento térmio em estruturas de aço e de madeira, é onsiderada por alguns autores, bastante ineiaz na redução de atalidades e de perdas materiais. Isto se deve ao elevado nível de temperaturas desenvolvido após a ase de lashover, bastante superiores àquelas neessárias para se evitar a possibilidade de perdas materiais e humanas. Além disso, deve-se ter em mente a neessidade de onstante manutenção dos materiais de proteção passiva, assegurando deste modo sua eiáia. O desempenho de elementos estruturais sujeitos ao ogo é apresentado em termos de sua resistênia ao inêndio, que é o período de tempo de exposição ao ogo em teste padronizado, no qual se observa a alha estrutural. Assim, o empo Requerido de Resistênia ao Fogo (RRF) de um elemento isolado, normalmente espeiiado por ódigos normativos, é designado em unção do desempenho estrutural obtido por ensaios laboratoriais (estuas e ornos). O RRF é normalmente expresso em múltiplos de 30 minutos, omo por exemplo: 30, 60 e 90, onorme estabelee a NBR (2001). Neste proedimento de teste, o proesso de aqueimento é ontrolado de aordo 15

16 om uma urva padronizada de temperatura versus tempo estabeleida internaionalmente e reereniada pela ISO (1999) que oi inluída em: EC- 1/Parte-1, 2001; e NBR (2001). al urva, também ilustrada na Figura 1.2, é araterizada pelo aqueimento ontínuo do ambiente em unção do tempo de inêndio transorrido, mantendo-se, ontudo, uma taxa de aqueimento deresente. Os resultados obtidos pela utilização da urva ISO (1999) permitem uma avaliação padronizada, sobre a severidade do ogo sobre um dado omponente estrutural. Partindo-se do prinípio que signiiativos níveis de resistênia ao ogo podem ser atingidos, mesmo para estruturas desprovidas de qualquer tipo de material de proteção ontra inêndio, a utilização de métodos avançados de análise térmia e estrutural para estruturas de aço sob ondições de inêndio, omo os desenvolvidos em (LANDESMAN, 2003) tem possibilitado o atendimento dos requisitos de resistênia ao ogo de um modo mais preiso do que aqueles tradiionalmente previstos pelas espeiiações simpliiadas estabeleidas em normas. Além disso, permitem ao projetista a espeiiação mais raional do uso de materiais de proteção passiva ontra inêndio, quando neessários. Contudo, deve-se ter em mente que a ombinação de sistemas ativos de proteção, baseados no oneito de monitoramento e extinção, aliados a análises estruturais, proporionam uma substanial redução nos requisitos de resistênia ao ogo (RRF), omo será visto mais adiante. 1.3 Objetivos espeíios e justiiativas O presente rabalho não possui o intuito de avaliar e isalizar os meios de proteção ativa, dos quais o Corpo de Bombeiros Militar do Estado do Rio de Janeiro (CBMERJ) promove sua isalização através dos Deretos-Lei n o 247 de 21 de julho de 16

17 1975 e n o 897, de 21 de setembro de 1976, que deram origem ao Código de Segurança Contra Inêndio e Pânio (CoSCIP). O presente aluno de graduação possui oito anos de serviços prestados ao CBMERJ, e é atualmente isalizador das medidas adotadas no CoSCIP. Este texto tem omo prinipal objetivo examinar a variação de resistênia em unção do tempo de um pilar misto da bibliotea a ser onstruída no Bloo A do Centro de enologia da UFRJ. al pilar oi onstruído originalmente em onreto armado, será reorçado (revestido) om aço, vermiulita e pintura intumesente, sendo então submetido à análise de desempenho estrutural em situação de inêndio. Pretende-se veriiar neste trabalho se o elemento estrutural, om a proteção reebida, apresenta resistênia neessária para no aso de inêndio real suportar a elevação térmia a que estará sendo submetido, haja vista que a Universidade omo um todo dispões de pouos e alhos meanismos de proteção ativa ontra inêndio. Neste ontexto, embasado pelos diversos ramos de investigação da Engenharia de inêndio, proura-se demonstrar no presente rabalho Final de Graduação o desenvolvimento de uma metodologia de álulo numério e analítio de estruturas mistas sob ondições de inêndio, mantendo-se uma integração harmoniosa entre as possíveis soluções de engenharia visando, sobretudo, a redução dos perigos assoiados a inêndios ora de ontrole para as pessoas e a propriedade. A ontribuição da análise estrutural no ontexto da engenharia em situação de inêndios é tratada mais a seguir. 1.4 Desrição do trabalho Iniialmente, o primeiro apítulo az um resumo sobre o onteúdo deste trabalho e desreve sua motivação, objetivos espeíios, justiiativas e sua importânia rente à análise estrutural. 17

18 No apítulo dois será introduzida a metodologia ontida nas normas brasileiras apliáveis, e em diversas bibliograias espeíias sobre o tema, da qual será utilizada para a análise do problema sugerido, apresentado posteriormente. O apítulo três onsiste em desrever o modelo numério adotado, para apliação dos oneitos explanados anteriormente através do estudo de aso, ora apresentado por meio de dados, gráios, iguras, e também om a apresentação dos resultados obtidos através da análise eetuada pelos programas pertinentes, om a inserção dos respetivos omentários. Com base nestes resultados, oi possível tirar onlusões no apítulo 4, sobre os ritérios de análise e de veriiação utilizados nas normas brasileiras a im de se avaliar o omportamento da estrutura em unção das variáveis utilizadas. 2. Metodologia Capítulo 2: MEODOLOGIA A primeira etapa do proesso de análise de estruturas em ondições de inêndio onsiste na determinação da variação do ampo de temperaturas dos elementos expostos ao ogo, em unção do tempo deorrido de inêndio, onorme visto na igura 1.2. Os proedimentos de análise térmia veriiados neste trabalho assumem que a taxa de aqueimento do ambiente, ou seja, a razão de elevação de temperatura para um 18

19 dado ompartimento inendiado é determinada a partir de relações temperatura versus tempo. al metodologia possibilita a onsideração de qualquer tipo de urva de aqueimento, quer aquelas padronizadas, previstas pela normalização vigente, tais omo a ISO (1999) e a EC-1/Parte-2, 2002 quer urvas espeíias deinidas para asos não onvenionais de aqueimento. O proedimento numério desenvolvido é omposto por duas etapas undamentais: análise térmia e análise estrutural, que se interligam onorme ilustrado pelo luxograma da Figura 2.1. Aumento da temperatura no ambiente Determinação do ampo de temperaturas na seçãotransversal Proedimento inremental simples Análise érmia Interae entre a análise térmia e estrutural Combinação de ações para análise estrutural Repetido durante todo o proesso de duração do inêndio Determinação e atualização dos desloamentos estruturais Cálulo dos esorços nos elementos Proedimento inremental iterativo Análise Estrutural FIM Figura 2.1: Prinipais etapas seguidas pelo proedimento desenvolvido. A primeira ase do proesso de análise de estruturas em ondições de ogo é araterizada pela determinação do ampo de temperaturas ao longo da seção 19

20 transversal das estruturas aetadas pelo inêndio. Nesta etapa, a resposta térmia é determinada, para ada instante estabeleido do inêndio postulado, através de proedimento numério de álulo de transerênia de alor, que permite a onsideração da variação das propriedades térmias e meânias dos materiais onstituintes da seção em unção do aumento de temperatura, implementados segundo a ormulação dos métodos dos elementos initos. A partir do resultado de variação da temperatura da estrutura, obtido pelo modelo de análise térmia, proede-se à análise estrutural para ondições de inêndio, ou seja, são determinadas as propriedades equivalentes das seções aqueidas, redução gradual da resistênia plástia das seções e esorços de engastamento pereito, estabeleendo-se assim uma onexão entre as análises térmia e estrutural. Uma vez que o ampo de temperatura e sua inluênia no álulo estrutural oram estabeleidos, a etapa que se segue onsiste na análise global das estruturas sob ogo. As urvas de inêndio-padrão são idealizadas para ensaios experimentais de elementos submetidos a altas temperaturas. Sua ormulação não leva em onsideração nenhuma araterístia da ompartimentação e, portanto, não possui nenhuma orrelação om o inêndio real. Diversas normas internaionais, omo o EC-1/Parte 1.2, 2002 e as normas naionais, omo a NBR (2003), permitem a substituição da análise da estrutura sujeita ao inêndio real por um tempo de exposição de reerênia à urva de inêndio-padrão. Este tempo de reerênia, que é o empo Requerido de Resistênia ao Fogo (RRF), representa a oniabilidade da soiedade nos meanismos de deteção e debelação do inêndio (VARGAS, 2003). A urva proposta pela International Organization or Standardization, ISO 834 (1999), é adotada pela NBR (2003) para inêndios provenientes da queima de material elulósio, sendo expressa da seguinte orma: 20

21 emperatura emperatura (ºC) ( o C) g ( t) log(8 t 1) (2.1) Outras urvas-padrão são propostas para inêndios om graus de severidade distintos da ISO 834, omo as urvas de inêndio para materiais derivados de hidroarbonetos: ( t) g ( e t e 2.5 t ) (2.2) A igura abaixo ilustra as urvas de temperatura desritas pelas equações 2.1 e 2.2: Hidroarboneto Celulósio empo (minutos) (min) Figura 2.2: Curvas Padrão de inêndio. Enquanto a urva de aqueimento de materiais elulósios possui resimento suave, o inêndio desrito pela urva de hidroarbonetos rapidamente alança altas temperaturas, representando om maior idelidade a ombustão deste material. A urva temperatura versus tempo desrita pelos modelos de inêndio-padrão possuem omportamento não-deresente. Alternativamente a este modelo, as urvas de inêndio natural possuem um treho asendente e outro desendente, araterizando as duas ases pós-lashover do inêndio. A equação paramétria para a ase de aqueimento, proposta pelo EC1 Parte 1.2, 2002 é apresentada abaixo: 21

22 * * * 0.2 t 1.7 t 19t e e 0. e (2.3) g Materiais de proteção térmia A solução mais reqüentemente empregada, para evitar o aumento exessivo da temperatura das estruturas de aço em situação de inêndio, é revesti-las om meio de materiais de proteção térmia. Em termos gerais, os materiais de proteção térmia devem apresentar: i. Baixa massa espeíia aparente; ii. iii. iv. Baixa ondutividade térmia; Alto alor espeíio; Adequada resistênia meânia (quando expostos a impatos); v. Garantia de integridade durante a evolução do inêndio; vi. Custo ompatível ipos de materiais Os tipos mais empregados de material de proteção térmia na onstrução são: Argamassa projetada Cimentitious Consiste na omposição de agregados e aglomerantes misturados om água, ormando uma massa luida, que é transportada por meio de uma mangueira até o esguiho, onde o ar omprimido az o jateamento diretamente na superíie do aço. O resultado é uma superíie rugosa, mais apropriada para elementos aima de orros ou para ambientes menos exigentes. A argamassa geralmente é onstituída de gesso ou vermiulita, imento, resinas arílias e argas inertes, tais omo poliestireno expandido e elulose. 22

23 Fibra projetada É onstituída por agregados, ibras minerais e aglomerantes que é transportada sob baixa pressão por meio de uma mangueira até o esguiho, onde é misturada om água atomizada e jateada diretamente na superíie do aço. Resulta numa superíie rugosa, mais apropriada para elementos aima de orros ou para ambientes menos exigentes Plaas São elementos pré-abriados ixados na estrutura por meio de pinos ou peris leves de aço, proporionando diversas possibilidades de aabamento. Geralmente são ompostas om materiais ibrosos, vermiulita, gesso ou ombinação desses materiais. No que tange a vermiulita e seus ombinados, quando submetida a um aqueimento adequado, sore expansão quando lhe é apliado alor através da água ontida entre as suas milhares de lâminas, se transormando em vapor, azendo om que as partíulas explodam e se transormem em loos sanonados. Cada loo expandido aprisiona onsigo élulas de ar inerte, o que onere ao material exepional apaidade de isolamento Pintura intumesente Constituída por polímeros om pigmentos intumesentes, que reagem na presença de ogo, em geral a 200 o C, aumentando seu volume. Os poros resultantes são preenhidos por gases atóxios que, junto om resinas espeiais que onstituem as tintas, ormam uma espuma rígida na superíie do aço, retardando o eeito do alor da hama. É apliada por meios onvenionais, pistola ou rolo, proporionando textura e aparênia e ores similares às pinturas onvenionais. 23

24 2.2 Propriedades térmias dos materiais sob altas temperaturas Os materiais de onstrução são misturas homogêneas de diversos omponentes em temperatura ambiente. O aço, por exemplo, é omposto por diversas ligas metálias que possuem omportamentos térmios distintos em unção da elevação da temperatura. O aqueimento do elemento de aço provoa uma mudança na ase de equilíbrio das ligas onstituintes, alterando sua omposição mirosópia. Nos elementos de onreto, o aumento da temperatura muda o estado ísio da água interstiial, que gera um aumento da poro-pressão deorrente da onveção orçada do vapor d água para o exterior. Diversas reações químias oorrem entre os agregados e a pasta de imento durante a elevação da temperatura do onreto. A araterização das propriedades ísias dos materiais deve ser eita em unção da temperatura, já que os materiais são alterados por diversos proessos ísio-químios durante o aqueimento Condutividade térmia A ondutividade térmia dos materiais (em W m 1 K 1 ), onsiderada omo isotrópia, é a apaidade do orpo de onduzir alor transversalmente à superíie do elemento. O onreto possui grande variabilidade da ondutividade térmia, devido heterogeneidade do material durante o aqueimento. O EC-4/Parte-1.2, 2004 apresenta duas expressões para a avaliação destas propriedades, reomendando o limite superior para estruturas mistas e o limite inerior para estruturas de onreto armado. A seguir são apresentadas as expressões do limite superior e inerior do onreto e a equação para a ondutividade térmia do aço, respetivamente: 24

25 Condutividade érmia (W.m -1. K -1 ) emperatura (ºC) Condutividade érmia (W.m -1. K -1 ) emperatura (ºC) º C 1200 C (2.4), sup º º C 1200 C (2.5), in º 2 a a 20º C 800º C a a 800º C 1200º C (2.6) O gráio abaixo ompara as expressões não-lineares mostradas aima om os valores onstantes, independentes da temperatura, propostos para modelos simpliiados: empo (min) empo (min) empo (minutos) empo (minutos) (a) (b) Figura 2.3: (a) Condutividade térmia do aço; (b) Condutividade térmia do onreto. (b) Calor espeíio A apaidade de um orpo em absorver alor em unção da massa e da variação de temperatura é denominada alor espeíio (em J kg 1 K 1 ). A seguir são apresentadas as expressões do alor espeíio para o onreto seo (u = 0%) e o aço respetivamente: 25

26 º C 100º C 200º C 400º C 100º C 200º C 400º C 1200º C (2.7) a a a a a a 20º C 600º C 735º C 900º C a a a a 600º C 735º C 900º C 1200º C (2.8) A presença de umidade no onreto altera seu alor espeíio, pois a água interstiial evapora-se quando a temperatura do material ultrapassa 115ºC. Este eeito deve-se ao alor latente de evaporação da água, uja araterístia é a absorção de alor sem a elevação de temperatura. A igura 2.4-b ilustra o enômeno, onde o pio do alor espeíio depende da quantidade de água presente no onreto. Para = 200ºC, toda a água oi evaporada e o material omporta-se da mesma maneira, independentemente da quantidade iniial de umidade. O alor espeíio do aço em unção da temperatura também apresenta um pio, onorme mostra a igura 2.4-a. Apesar de o aço possuir araterístias homogêneas para temperaturas próximas à 20ºC, as suas ligas omponentes possuem omportamentos térmios distintos. Estas, por sua vez, apresentam uma mudança de estado ísio para temperaturas próximas a 730 ºC. Esta mudança de estado ísio se traduz omo um pio no gráio. 26

27 Calor espeíio do aço (J.kg -1.K -1 ) emperatura (ºC) Calor espeíio do onreto (J.kg -1.K -1 ) emperatura (ºC) empo (min) empo (minutos) empo (min) empo (minutos) (a) (b) Figura 2.4: (a) Calor espeíio do aço; (b) Calor espeíio do onreto Massa espeíia A massa espeíia (em 3 kg / m ) varia em unção da dilatação dos orpos. Porém, para eeitos prátios, este eeito pode ser desprezado, pois o arésimo de volume é muito pequeno quando omparado om o valor iniial. Portanto, serão adotados valores onstantes para o aço ( a = 7850 kg/m 3 ) e para o onreto ( = 2500 kg/m 3 ). 2.3 Comportamento meânio dos materiais sob altas temperaturas: Degradação das propriedades meânias dos materiais Ao serem aqueidos, os materiais de onstrução perdem rigidez e resistênia. Estas alterações são deorrentes dos proessos ísio-químios partiulares de ada material, onorme oi disutido na seção 2.3. A seguir, são apresentadas as presrições normativas presentes no EC-4.1/Parte-2, 2004 reerentes à modelagem do diagrama 27

28 tensão versus deormação do aço e do onreto de densidade normal. Os modelos são válidos para taxas de aqueimento entre 2 e 50 ºC por minuto. O diagrama tensão versus deormação do aço para elevadas temperaturas que onsidera a presença de enruamento é apresentado a seguir: p b a E a 2 y 2 se se p p y a ( ) 50 u y u 2 y u se se y s s t (2.9) u 1 20 t se t u 0 se u Onde E é o módulo de elastiidade, y é a tensão de esoamento, u é a tensão máxima e p é o limite de proporionalidade entre as tensões e as deormações. odos estes parâmetros são dependentes da temperatura, onorme apresentado na tabela 2.1. Com exeção da deormação p, deinida omo p p E, as demais deormações são independentes da temperatura, valendo y 0. 02, s 0. 04, t e u Os parâmetros a, b e são deinidos a partir das seguintes equações: a (2.10-a) y p y p E b 2 y p E (2.10-b) y p y E p 2 2 y p (2.10-) 28

29 Deinindo y, 20 omo a tensão de esoamento araterístia e E 20 omo o módulo de elastiidade, ambos em temperatura ambiente, os atores de degradação do aço são apresentados a seguir: abela 2.1: Coeiientes de degradação das propriedades meânias do aço. emperatura y u p E (ºC) y u p E y, 20 y,20 y, E 20 Para valores de temperatura intermediários, o EC-4.1/Parte 2, 2004 sugere que seja adotada uma interpolação linear. A igura abaixo ilustra os atores de degradação do aço extraídos da tabela aima y u 0.8 p E emperatura (ºC) emperatura ( o C) 29

30 Figura 2.5: Fatores de degradação das propriedades meânias do aço. A seguir, é apresentado o treho reerente às deormações positivas do diagrama tensão versus deormação ( ) do aço para diversas temperaturas: 1.2 = 20ºC = 200ºC 1.0 y y, = 400ºC = 600ºC ε (x 1000) x Figura 2.6: Diagrama tensão versus deormação do aço. O diagrama tensão versus deormação do onreto de densidade normal, proposto pelo EC-4.1/Parte-2, 2004 leva em onta o eeito de sotening, isto é, a perda de resistênia para deormações (em módulo) superiores à deormação limite. Para u que o modelo omporte-se no regime elástio e inelástio, requisito básio para modelos de análise avançada, o treho em tração do diagrama oi onsiderado, omo mostra a equação 2.11: ( ) u u E 3 2 u 0 0 u u 3 u u se se se se se 0 u u u t t 0 u (2.11) 30

31 O módulo de elastiidade do onreto ( E ) em unção da temperatura oi alulado a partir da derivação da equação 2.11 na origem: E d d ( ) 0 u 3 2 u 3 4 u u u (2.12) Onde é a resistênia do onreto a ompressão, u sua orrespondente deormação, é a deormação máxima durante a ompressão e u t tm E é alulada a partir da resistênia a tração do onreto tm, todos dependentes da temperatura. Deinindo E, 20 omo o módulo de elastiidade,, 20 e tm, 20 omo a resistênia a ompressão e tração, respetivamente, todos em temperatura ambiente, é apresentada a tabela 2.2, que mostra a degradação dos parâmetros ísios do onreto: abela 2.2: Coeiientes de degradação das propriedades meânias do onreto emperatura (ºC),20 t tm tm,20 E u 3 EE,20 10 u

32 t 0.2 E emperatura (ºC) emperatura ( o C) Figura 2.7: Fatores de degradação das propriedades meânias do onreto. A perda de resistênia do onreto durante o resriamento, presrita no anexo C do EC-4.1/Parte-2, 2004, reduz em unção da sua temperatura atual e da temperatura máxima alançada durante o inêndio,. Este enômeno oi máx inorporado no modelo desenvolvido e é partiularmente útil para a avaliação do desempenho e reuperação de estruturas que tenham sido submetidas a um inêndio. A unção deinida anteriormente deve ser modiiada para a inlusão desta propriedade do onreto: máx, 1 1 máx máx (2.13) 20 máx Onde é dado por: máx se se se (2.14) Além da perda de rigidez, a dutilidade máxima do material u deve ser modiiada para que o treho linear da equação 3.3 ontinue om a mesma inlinação: 32

33 u máx u máx u, u máx máx (2.15) máx A seguir, é apresentado o diagrama tensão deormação do onreto para diversas temperaturas: 1.0 = 20ºC máx = 20ºC 0.8 = 300ºC máx = 300ºC, = 600ºC máx = 600ºC = 20ºC máx = 600ºC ε (x 1000) x Figura 2.8: Diagrama tensão versus deormação do onreto Alongamento espeíio O alongamento espeíio do aço e do onreto em temperatura ambiente são pratiamente idêntios. Esta é uma das ondições que avoreeram o desenvolvimento do onreto armado a adesão entre os materiais independente da temperatura. Esta ondição é veriiada para temperaturas ineriores a 500 ºC, onorme apresentado na igura 2.9. Porém, para temperaturas superiores a 500 ºC, o alongamento do onreto é superior ao do aço, gerando atritos internos entre os materiais que resultam no destaamento das barras de aço do elemento. 33

34 Alongamento (x 1000) Alongamento (x1000) Conreto 8.0 Aço emperatura ( o C) Figura 2.9: Alongamento espeíio do aço e do onreto em unção da temperatura. O alongamento espeíio do aço em unção da temperatura é dado por: L L a a a 8 2 a se se se a a a (2.16) Enquanto o alongamento do onreto, em unção da temperatura é apresentado na equação 2.17: Capítulo 3: ESUDO DE CASO E RESULADOS L L se se (2.17) 3. Estudo de aso e Resultados No Plano Diretor da UFRJ está prevista a onstrução, no Campus da Cidade Universitária, na Ilha do Fundão, no Bloo A do Centro de enologia, da Bibliotea Uniiada que servirá para as diversas unidades aadêmias, órgãos suplementares e entros universitários. A previsão para iníio das obras, que oi orçada em R$ 34

35 ,00, era março de Esse empreendimento está, no momento, em proesso liitatório. A área livre a ser oupada pela bibliotea é de 2000 m 2, om um pé direito total de nove metros de altura, inluindo 44 pilares que estão situados no pavimento térreo, na região inerior do prédio que abriga os Institutos de Químia e Físia, onorme ilustrados na oto da igura 3.1. Figura 3.1: Vista dos pilares existentes. Nesta área livre será onstruída uma nova bibliotea de dois pavimentos, suportada nos pilares existentes. A sua planta baixa e alguns ortes esquemátios desse projeto enontram-se apensos a este rabalho nos anexos C, D e E. O presente estudo de aso se orienta para que seja eita à análise e veriiação do pilar misto a ser adotado na estrutura da bibliotea que será onstruída, em situação de inêndio de aordo om a NBR (2003). Para tanto, o pilar será veriiado em situação de inêndio, om a determinação do empo Requerido de Resistênia ao Fogo (RRF) de aordo om a NBR14432 (2001). Através deste valor, hegamos à temperatura dos elementos de aço que ompõem a estrutura depois de deorrido o RRF, onorme será tratado posteriormente. 35

36 3.1 Determinação do empo Requerido de Resistênia ao Fogo De aordo om a NBR (2001), para se espeiiar o empo Requerido de Resistênia ao Fogo (RRF) a ser respeitado pelos elementos estruturais (pilares, vigas e lajes) de uma onstrução, é neessário onsultar as tabelas inseridas nos anexos da reerida norma, os quais se enontram inseridos, em anexo a este rabalho. De posse de dados omo a oupação da obra, sua lasse e respetiva altura, é possível determinar o RRF, sendo que para o aso estudado temos uma ediiação esolar de tereiro grau om seis pavimentos, ujo pé direito de ada pavimento, om exeção do térreo, é de aproximadamente 4,5 metros de altura, sendo a obertura onstituída por laje e telhas, não havendo permanênia de pessoas Determinação da altura da ediiação A altura da ediiação h é estimada omo sendo a distânia ompreendida entre o ponto que arateriza a saída, situada no nível no qual uma porta onduz ao exterior do prédio (nível de desarga) e o piso do último pavimento, exetuando-se zeladorias, barrilete, asa de máquinas, piso ténio e pisos sem permanênia humana. Desse modo, oi estimada uma altura aproximadamente igual a 29 metros Consulta das tabelas A1 e B1 dos anexos A e B da NBR 14432, Obtida a altura da ediiação, ombina-se a linha oupação/uso om a oluna altura dos anexos A e B deste rabalho. Neste aso temos a linha eduaional e ultura ísia, e a oluna 23 < h < 30 m (Classe P4). Desta ombinação tem-se o RRF = 90 min. Os elementos estruturais (vigas, pilares e lajes) devem ter, portanto, resistênia ao ogo de 90 minutos para a urva de aqueimento dos gases, onorme inêndio- 36

37 padrão. Da mesma orma, os elementos de ompartimentação (paredes resistentes ao ogo) devem possuir a mesma resistênia ao ogo. É interessante omentar que o RRF é proveniente do onsenso da soiedade de uma nação, portanto esse valor não signiia o tempo de duração de um inêndio ou período de evauação dos usuários do ediíio, muito menos o tempo neessário para a hegada do Corpo de Bombeiros. No Brasil o valor mínimo do RRF é de 30 min. 3.2 Resultados numérios Identiiação e desrição da seção transversal No ato da onstrução da bibliotea, o pilar existente de onreto armado será reorçado estruturalmente por meio do arésimo de amadas externas de hapa de aço e de vermiulita, passando a ser um pilar misto. Esse pilar, para reeber além da estrutura original da ediiação, passará a reeber os dois pavimentos no térreo da nova bibliotea. A igura 3.2 mostra um treho do pilar de onreto armado na situação atual. No anexo C do presente trabalho estão inluídos os desenhos esquemátios desse pilar. 37

38 Figura 3.2: Vista de parte de um dos pilares existentes. Para a análise do pilar em estudo oi adotada uma malha reinada de elementos initos, eita om o auxílio do programa AUOCAD, sendo sua modelagem elaborada através da quarta parte da seção transversal irular, om a respetiva separação dos materiais, omo está demonstrado através da igura abaixo. Diâmetro do pilar original: d = 80 m Espessura da amada de vermiulita: e = 10,5 mm Espessura da hapa de aço: t = 9,5 mm Armadura: 12 ϕ 12,5 Figura 3.3: Malha de elementos initos da quarta parte da seção transversal do pilar. Sua seção transversal, iniialmente adotada omo um setor irular será onsiderada mais adiante, omo um írulo, já que tal modelagem oi eita iniialmente om a malha aima apenas om o intuito de ailitar a implementação do modelo esolhido emperatura Para ilustrar o omportamento da seção, om relação à evolução da temperatura, oi utilizado o programa DIAMOND (2001), o qual trata a quarta parte da seção transversal do pilar irular, om a respetiva separação dos materiais em relação à proximidade om a borda externa da seção, sendo que as representações R1 e R2 denotam a região que se enontra a 20 e a 40 m do entro do pilar, respetivamente, onorme disriminado na igura

39 R1 R2 Conreto 1: R1 (20m) Conreto 2: R2 (40m) Armadura Chapa de aço Vermiulita Figura 3.4: Malha de elementos initos om alguns nós representativos. A igura 3.5 mostra o omportamento da malha da seção, aima ilustrada, om o aumento da temperatura em unção do tempo, demonstrando que existe uma variação aentuada do aumento da temperatura, que hega a valores superiores a 900 C para o tempo próximo a 90 minutos (5400 segundos) nos materiais mais externos, em relação ao entro do pilar irular. Veriia-se ainda que o omportamento da hapa de aço na ronteira externa representa a ISO 834 (1999) e possui omportamento similar ao da vermiulita a ela interligada. Já para o onreto, a variação da temperatura apresenta omportamento linear, om arésimos mais brandos de temperatura para elementos mais próximos ao entro da seção do pilar, sendo que a legenda om o nome Conreto 1 denota o onreto loalizado na região mais externa, e a legenda Conreto 2 denota o onreto da região mais próxima ao núleo do pilar ISO

40 emperatura ( o C) Chapa de aço Vermiulita Armadura Conreto 1 Conreto empo (segundos) Figura 3.5: Variação da temperatura dos nós ao longo do tempo. Para melhor ilustrar o omportamento da seção devido ao aumento da temperatura, oram extraídas as imagens orneidas pelo programa DIAMOND (2001), que mostram a mudança na oloração da seção, dividida em aixas de valores, de aordo om o aumento da temperatura, sendo abordada na da igura 3.6 a or na distribuição dos valores de temperatura dos materiais para um instante iniial de 10 segundos. Figura 3.6: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 10 segundos. 40

41 Nota-se na igura aima, que todos os materiais enontram-se a uma temperatura de 20 C. Já para o intervalo de 15 minutos de exposição ao ogo, pode-se pereber na igura 3.7, a oloração verde na borda externa da seção, denotando por meio da legenda uma elevação da temperatura em torno dos 400 C na região periéria e uma dierença de temperatura no mesmo material, perebida por meio da oloração azul distinta. 20 C 458 C Figura 3.7: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 15 minutos. Podemos veriiar na igura 3.8 que om apenas 15 minutos de arésimo em relação ao tempo anterior, que existe uma elevação aentuada da temperatura na malha loalizada na região da hapa de aço, uniormemente distribuída, hegando-se a valores superiores a 700 C. Outro ator interessante demonstrado na igura, é que existe uma diminuição da temperatura do onreto no sentido do entro do pilar, denotando também que a parte da seção que se enontrava a 20 C, agora, passa a ter seu raio de ação enurtado. 41

42 20 C 707 C Figura 3.8: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 30 minutos. A igura aima denota ainda uma dierença de temperatura sensível no onreto, tendo em vista que o onreto próximo ao entro mantém possui sua temperatura de 20 C, oasionando em uma suave mudança de oloração no onreto da região mais externa, que pode ser ailmente perebida através das isotermas, tomadas apartir de uma temperatura base de 200 C, orneidas pelo programa DIAMOND (2001), que podem ser visualizados na igura 3.9. Figura 3.9: Isoterma de 300 o C no instante de 30 minutos. 42

43 Quando a exposição ao ogo hega ao instante de 45 minutos, podemos veriiar na igura 3.10 que a hapa de aço ontinua om uma evolução de temperatura resente, hegando-se a um patamar de valores em torno de 800 C. Porém, o que hama atenção é que neste instante a região das armaduras sore relevante inluênia, de modo que se obtém temperaturas superiores a 100 C. 20 C 804 C Figura 3.10: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 45 minutos. Na ilustração da igura 3.11, perebemos a evolução da temperatura na malha da hapa de aço, om temperaturas superiores a 900 C. A vermiulita, por sua vez, se enontra om valores de temperatura em torno de 500 C. Na imagem pode-se veriiar igualmente que a armadura da seção de onreto armado enontra-se em uma evolução resente de temperatura, indiando valores de temperatura próximos a 300 C. Finalmente a seção de onreto atinge valores máximos em torno de 200 C, permaneendo apenas a região bem próxima ao núleo entral temperatura ambiente original (20 C). 43

44 20 C 885 C Figura 3.11: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 60 minutos. A isoterma ilustrada na igura 3.12, denota o aminho seguido pela isoterma, tomando por base a temperatura de 300 C, a qual neste instante já ultrapassa a região da vermiulita e segue em direção às armaduras. Figura 3.12: Isoterma de 300 o C no instante de 60 minutos. No instante próximo ao RRF (90 minutos), veriiamos que: (a) As armaduras se enontram sob a ação térmia om valores superiores a 300 C; (b) O onreto om 44

45 temperaturas em torno a 200 C; e () A hapa de aço hega valores superiores a 900 C, onorme ilustrado na igura C 928 C Figura 3.13: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 75 minutos. No momento em que a estrutura atinge o seu RRF (90 minutos), veriiamos na igura 3.14 que toda a região de onreto da seção transversal enontra-se a temperaturas superiores a 100 C, na maioria dos elementos da malha de elementos initos, om uma evolução resente da temperatura quando se aminha em direção à borda da seção. Neste momento, pode-se pereber que a amada de vermiulita e da hapa de aço enontram-se om temperaturas muito elevadas da ordem de 900 C, perdendo todas as suas araterístias estruturais. 45

46 20 C 961 C Figura 3.14: Distribuição de temperatura na seção-transversal para um instante de 90 minutos. Para melhor pereber o eeito da evolução da temperatura a igura 3.15 ilustra a isoterma tomando por base a temperatura de 300 C. Neste aso, pode ser veriiamos que a região de onreto passa a ser aetada pelos eeitos do aumento térmio. Figura 3.14: Isoterma de 300 o C no instante de 90 minutos. 46

47 3.2.3 Variação da resistênia Para eetuar a avaliação numéria segundo modelos baseados no método dos elementos initos, oi utilizado o ódigo omputaional SAFIR (2001), que orneeu omo dados de saída um arquivo, o qual oi onvertido em uma planilha om a área do elemento inito de aordo om o seu respetivo material, em unção do tempo. Com isso, esta área oi assoiada às resistênias araterístias de ada material, que somadas om o respetivo material, orneeram a resistênia dos elementos da malha adotada. A resistênia enontrada possui variação ao longo do tempo, devido ao aumento da temperatura dos elementos onstituintes da seção transversal, de aordo om as tabelas 1 e 2 da NBR (2003), que orneem os atores de redução da resistênia do aço e do onreto om relação à variação da temperatura, onorme desrito no Capítulo 2 deste trabalho. No estudo da planilha desrita no iníio deste subitem oram adotadas as equações das linhas de tendênia das tabelas 1 e 2 da NBR (2003), por meio de interpolação de seus dados, para om isso enontrar equações representativas das urvas de resistênia, valores que oram multipliados pela respetiva resistênia ao longo do Seção mista tempo. Conreto armado Figura 3.15: Variação da resistênia em unção do tempo deorrido do inêndio. Chapa de aço Redução da seção mista de de 31,4% Redução do aço de 99,7% 47

48 A medida de tempo adotada na oneção da planilha oi aquela enontrada anteriormente na determinação do tempo requerido de resistênia ao ogo (RRF), igual a 90 minutos, tomado em intervalos regulares de quinze minutos para melhor ilustrar o deaimento da resistênia ao longo do tempo. A urva obtida por meio dos resultados da análise, om os seus valores da resistênia multipliados por quatro (devido à simpliiação iniial de um quarto da seção transversal) india que a resistênia adiional proporionada pela adoção da hapa de aço oi pratiamente extinta ao longo dos 90 minutos, iando apenas o onreto armado do pilar já existente para suportar a arga da ediiação atual e da bibliotea a ser onstruída. Cabe ressaltar que a estrutura do pilar misto experimenta uma redução de 31,4% da resistênia, o que gera uma preoupação adiional quanto aos seus esorços soliitantes no pilar em estudo e de serviço, tendo em vista que Capítulo 4: CONCLUSÕES E SUGESÕES em seu dimensionamento não oram onsiderados os esorços oriundos de arga de inêndio. 4. Conlusões e Sugestões Os oneitos undamentais onsolidados no presente rabalho Final de Graduação oram extraídos de itações de alguns trabalhos ténio-ientíios reereniados, bem omo presrições estabeleidas pelas prinipais normas em uso. Estes oneitos ompletam-se e onstituem um importante aminho para que seja possível atingir os objetivos da segurança ontra inêndio minimização de perdas humanas e materiais, sem que sejam ignorados os aspetos eonômios, estétios e unionais envolvidos na elaboração de projetos de engenharia. 48

49 O estudo desenvolvido, dirigido ao reorço dos uturos pilares mistos da Bibliotea Uniiada do Centro de enologia da UFRJ, oi elaborado através da análise de estruturas mistas sob ondições de inêndio, sendo eito por meio de simulações, a partir da ormulação básia de elementos de ondução de alor. ais proedimentos oram desenvolvidos à luz do Método dos Elementos Finitos omo em COOK et AL, 1989, levando-se em onsideração os eeitos deorrentes da dependênia térmia das propriedades dos materiais que ormam o pilar misto em estudo. O proedimento numério adotado permite a onsideração de dierentes modelos de elevação de temperatura no ambiente, através da utilização de urvas de aqueimento previstas pela normalização vigente NBR (2003). Os resultados numérios obtidos pelo modelo desenvolvido, para a oniguração geométria de arregamento térmio e estrutural, oram estimados por meio de uma malha de elementos initos, analisada no programa SAFIR (2001), dirigido à análise de estruturas em situação de inêndio. Os resultados de variação do ampo de temperaturas do pilar estudado om seção-transversal envolvida por material de proteção ontra inêndio se mostraram satisatórios, de aordo om as respostas térmias estimadas pelo Programa utilizado. No modelo estudado, a integração entre a resposta termo-estrutural desenvolvida permite estimar, de maneira preisa, o nível de segurança global de estruturas, assoiada ao empo Requerido de Resistênia ao Fogo, permitindo-se ainda a identiiação dos possíveis modos de olapso e dos arregamentos limites assoiados. Desse modo, é possível avaliar se o reorço proposto pela adição da hapa de aço externa pode ser avaliada omo segura sob o ponto de vista estrutural, sob a ação do inêndio. A proura da eiiênia e da simpliidade da análise, garantindo o rigor 49

50 teório, destaam-se omo atributos pretendidos no desenvolvimento da metodologia de análise de estruturas sob ação de inêndios, implementada neste trabalho. Neste sentido, as análises numérias desenvolvidas seguem os preeitos básios disutidos ao longo do Curso de Estruturas do Departamento de Meânia Apliada e Estruturas, om base no oneito dos Estados Limites de Serviço. Com a inalidade de expandir os onheimentos relaionados à resistênia dos pilares mistos em situação de inêndio. Sugere-se, para estudos uturos, a análise realizada neste trabalho para pilares totalmente revestidos por onreto e pilares de seção retangular preenhidos por onreto armado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 5. Reerênias Bibliográias ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS ÉCNICAS. "Dimensionamento de estruturas de aço e de estruturas mistas aço-onreto de ediíios em situação de inêndio". Proedimento. NBR Projeto de revisão. Rio de Janeiro/RJ, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS ÉCNICAS. "Exigênias de resistênia ao ogo de elementos onstrutivos de ediiações". Proedimento. NBR Rio de Janeiro/RJ,

51 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS ÉCNICAS: Projeto de estruturas de onreto em situação de inêndio. Proedimento. NBR Rio de Janeiro CASRO, G. G. S., Um método geral de álulo para veriiação de estruturas de onreto em situação de inêndio. Belo Horizonte/MG, COOK, R. D., MALKUS, D. S., PLESHA, M. E., 1989, Conepts and Appliations o Finite Element Analysis, John Wiley & Sons, New York. EUROPEAN COMMIEE FOR SANDARDISAION, 2002, Euroode 1: Ations on strutures -Part 1-2: General ations - Ations on strutures exposed to ire, Brussels. EUROPEAN COMMIEE FOR SANDARDISAION, 2004, Euroode 4: Design o omposite steel and onrete strutures - Part 1-2: General rules - Strutural ire design, Brussels. INSRUÇÃO ÉCNICA DO CORPO DE BOMBEIROS DE SÃO PAULO "Segurança Estrutural nas Ediiações - Resistênia ao ogo dos elementos de onstrução. I08. São Paulo/SP, FERREIRA, W.G., CORREIA, E.V.S., AZEVEDO, M.S., Dimensionamento de estruturas de aço e mistas em situação de inêndio. Vitória/ES,

52 FRANSSEN, J. M., KODUR, V. K. R., MASON, J., 2000, User s Manual or SAFIR 2001: A Computer Program or Analysis o Strutures Submitted to the Fire, University o Liège, Department Strutures du Génie Civil, Servie Ponts et Charpentes. ISO 834-1, 1999, Fire-Resistane ests - Elements o Building Constrution, Part 1: General Requirements, ISO International Organization or Standardization, Geneva. LANDESMANN, A., Modelo não-linear inelástio para análise de estruturas metálias aportiadas em ondições de inêndio, Dissertação de doutorado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro/RJ, PFÈIL, WALER, PFEIL MICHÈLE, Estruturas de aço dimensionamento prátio. Livros énios e Cientíios - LC. Rio de Janeiro/RJ, REVISA ÉCHNE Edição 99 anos 13 junho de 2005 págs. 56 a 61 Artigo: Estruturas de onreto em situação de inêndio - LOURCO, B. SOLLARD, P., JOHNSON, L., 1994, Design Against Fire: An Introdution to Fire Saety Engineering Design, London. Spon. VARGAS, M.R., SILVA, V.P., Resistênia ao ogo das estruturas de aço. Rio de Janeiro: Instituto Brasileiro de Siderurgia - IBS; Centro Brasileiro de Construção em Aço - CBCA,

53 6. Anexos Anexo A: Classiiação das ediiações quanto a sua oupação segundo a NBR 14432(2001); Anexo B: empos Requeridos de Resistênia ao Fogo (RRF), em minutos, segundo a NBR (2001); Anexo C: Planta baixa da Bibliotea Uniiada do Centro de enologia da UFRJ; Anexo D: Cortes transversal e longitudinal da Bibliotea Uniiada do Centro de enologia da UFRJ; Anexo E: Detalhamento da seção transversal do pilar. 53

54 Anexo A: Classiiação das ediiações quanto a sua oupação segundo a NBR 14432(2001) 54