CONSIDERAÇÕES SOBRE AS ESTRUTURAS DE AÇO

EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO, Parte I [1]

Valdir Pignatta e Silva,Professor Doutor, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, valpigss@usp.br, São Paulo, SP

Resumo: Este artigo discorre, de forma sucinta, sobre métodos tradicionais e avançados de dimensionamento de materiais de revestimento contra fogo de elementos estruturais de aço. São apresentados métodos analíticos e experimentais, simplificados e realísticos, bem como, noções sobre métodos numéricos que, supõe-se, brevemente se tornarão correntes. Fornecem-se também idéias gerais sobre possibilidade de se empregar estruturas de aço sem revestimento contra fogo. Alguns casos de incêndios severos ocorridos recentemente em edifícios altos são comentados. Para tornar a leitura mais confortável, dividiu-se o texto em quatro partes, sendo a última as referências bibliográficas das três partes anteriores.

[ I - II - III - IV ]

1 INTRODUÇÃO

1.1 SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO

Os objetivos fundamentais da segurança contra incêndio são: minimizar o risco à vida e reduzir a perda patrimonial. Entende-se como risco à vida, a exposição severa à fumaça ou ao calor dos usuários da edificação e, em menor nível, o desabamento de elementos construtivos sobre os usuários ou equipe de combate. A principal causa de óbitos, em incêndio, é a exposição à fumaça tóxica que ocorre nos primeiros momentos do sinistro. Assim, a segurança à vida depende prioritariamente da rápida desocupação do ambiente em chamas. Edifícios de pequeno porte, de fácil desocupação, exigem menos dispositivos de segurança e a verificação da estrutura em situação de incêndio pode ser dispensada. Edifícios de maior porte, em que há dificuldade de se avaliar o tempo para desocupação e que um eventual desabamento pode afetar a vizinhança ou a equipe de combate exigem maior segurança e verificação das estruturas em incêndio.

Figura 1 - custo da proteção contra incêndio

Considera-se perda patrimonial, a destruição parcial ou total da edificação, dos conteúdos e acabamentos do edifício sinistrado. Não basta identificar o possível dano à propriedade devido ao fogo, mas, por razões econômicas, é necessário também avaliar a extensão do dano que pode ser considerado tolerável, a fim de se otimizar os custos com dispositivos de segurança (fig. 1). O nível de segurança contra incêndio, para fins de segurança patrimonial, deve ser definido pelo proprietário do imóvel. O nível mínimo de segurança contra incêndio, para fins de segurança à vida ou ao patrimônio de terceiros, geralmente é estipulado em códigos ou normas. Um sistema de segurança contra incêndio consiste em um conjunto de meios ativos (detecção de calor ou fumaça, sprinklers, brigada contra incêndio, etc.) e passivos (resistência ao fogo das estruturas, compartimentação, etc.). É intrínseco ao ser humano exigir segurança em seu local de moradia e de trabalho. Eis porque a segurança contra incêndio é correntemente considerada no projeto hidráulico, elétrico e arquitetônico. Atualmente, sabe-se que essa consideração deve ser estendida também ao projeto de estruturas de edificações de maior porte ou risco, em vista de os materiais estruturais perderem capacidade resistente em situação de incêndio. Nos países desenvolvidos, a segurança contra incêndio é considerada ciência. É estudada, aceita e aplicada. A engenharia de segurança contra incêndio, no denominado primeiro mundo, faz parte do currículo escolar, havendo cursos de graduação ou pós-graduação em “Fire Safety Engineering”. Nos países em desenvolvimento, por outro lado, os métodos científicos de segurança contra incêndio, que conduzem a soluções seguras e econômicas, são pouco aplicados.

1.2 ENGENHARIA DE SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO

A engenharia de segurança contra incêndio (Fire Safety Engineering), permite demonstrar com precisão se a estrutura de aço necessita ou não de revestimento contra fogo e, caso utilizado, minimizar o seu custo. Essa área, aplicada à engenharia estrutural, é conhecida como Engenharia de Estruturas em Situação de Incêndio (Structural Fire Engineering) e para sua aplicação o uso de softwares é imprescindível. Ainda não há um software que reúna toda tecnologia disponível para se enfrentar o problema de segurança estrutural de forma global. É necessário empregar um conjunto de softwares. Um projeto completo deve seguir todas as etapas descritas a seguir. Pode-se, no entanto, analisar parcialmente o problema realizando apenas algumas dessas etapas. O engenheiro de estruturas em situação de incêndio deve tomar essa decisão.

• Determinação do tempo de desocupação. Há softwares que modelam matematicamente o desempenho humano em incêndio e seu comportamento frente às rotas de fuga disponíveis. Citam-se: EXODUS (Universidade de Greenwich) e CRISP (BRE- Building Research Establishment do Reino Unido).
• Determinação da potência térmica (“Heat Release Rate”) ou do campo de temperaturas atuante sobre as estruturas. Há softwares que modelam matematicamente os gases em termos estequiométricos, térmicos e cinemáticos, em função do cenário do incêndio, ou seja, dimensões do compartimento, geometria das aberturas para o ambiente externo, quantidade, posição e tipo dos materiais combustíveis, etc. Podem ser divididos em duas famílias: os que utilizam a dinâmica dos fluídos computacional (CFD) via modelos de campo (field model) e, os mais simples, que dividem o compartimento em duas ou mais zonas de calor (zone model). Entre os primeiros, citam-se: SMARTFIRE (Universidade de Greenwich) e JASMINE (BRE- Building Research Establishment do Reino Unido). Entre os outros, citam-se: BRANZFIRE (Building Research da Nova Zelândia), CFAST (NIST - National Institute of Standards and Technology dos Estados Unidos) e OZONE ( Universidade de Liège).
  

• Determinação do campo de temperaturas nos elementos de aço. Há softwares que empregam a análise térmica não-linear, com base nos conceitos de convecção, radiação e condução, para determinar a distribuição real de temperaturas no elemento estudado. Citam-se: SUPERTEMPCALC (Flight Safety Design de Lund/Suécia), TASEF (SP - Swedish National Testing and Research Institute de Lulea/Suécia) e THELMA (BRE- Building Research Establishment do Reino Unido).

• Análise estrutural. Há softwares que permitem estudar o comportamento das estruturas em incêndio, considerando-se não-linearidade geométrica e do material, variação das propriedades mecânicas com a temperatura, efeito das deformações térmicas, etc. Citam-se: SAFIR (Universidade de Liège), ADAPTIC (Imperial College do Reino Unido) e VULCAN (Universidade de Sheffield).

Alguns desses softwares realizam mais de uma das etapas supramencionadas. O SAFIR também faz análise térmica da estrutura e o SUPERTEMPCALC permite um dimensionamento simplificado de vigas de aço continuamente travadas, vigas de concreto armado e de pilares mistos de aço e concreto. Há softwares comerciais que não foram desenvolvidos especificamente para a situação de incêndio, mas permitem análise térmica e estrutural em altas temperaturas, desde que programados adequadamente. Citam-se: ANSYS, DIANA, ABAQUS e ADINA. Mais informações sobre engenharia de estruturas em situação de incêndio podem ser encontradas nos livros: WANG (2002), FRANSSEN; ZAHARIA (2005), BUCHANAN (1994 e 2002), RANBY et all (2000), VILA REAL (2003), PURKISS (1996), IISI (1993), VARGAS; SILVA (2003) e SILVA (2004).[a bibliografia citada se encontra na Parte IV do presente artigo]. Em IISI (2004) são apresentados diversos casos de edificações em que o uso da Engenharia de Estruturas em Situação de Incêndio conduziu a soluções econômicas. Sugere-se também a leitura das publicações do SCI - Steel Construction Institute (www.steel-sci.org). Para uma iniciação à Engenharia de Segurança contra Incêndio recomenda-se Drysdale (2000).

Este texto tem por finalidade esclarecer os problemas associados à segurança das estruturas de aço em situação de incêndio e comentar os conceitos contidos nos meios tradicionais e nos cientificamente avançados para se atender as exigências de segurança.

Os símbolos empregados neste texto serão definidos na primeira vez em que eles aparecerem.

2 COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS ESTRUTURAIS EM INCÊNDIO

Desde o século XIX, quando edifícios de múltiplos andares de aço começaram a ser construídos, sabe-se que o aço sofre redução de resistência com o aumento de temperatura. À época, o concreto era utilizado como material de revestimento do aço, sem função estrutural, mas, com grandes espessuras, em vista de o concreto não ser um isolante ideal. Anos após, o concreto, além de revestimento, foi também aproveitado como elemento estrutural, trabalhando em conjunto com o aço para resistir aos esforços. Surgiram então as estruturas mistas de aço e concreto. Mais tarde, iniciou-se a construção de edifícios de múltiplos andares de concreto armado. De início, não se supunha que o concreto armado também poderia ter problemas com temperaturas elevadas.

Figura 2 - Variação da resistência dos materiais em função da temperatura	Figura 3 - Variação do módulo de elasticidade dos materiais em função da temperatura

Mörch (1948) escreve interessante artigo alertando para a necessidade de verificação de estruturas de concreto armado em incêndio, associando-a apenas à armadura no seu interior. Hoje, se sabe que a capacidade resistente do concreto (EC2, 2004), do aço (EC3, 2005), das estruturas mistas (EC4, 2005), da madeira (EC5, 2004), da alvenaria estrutural (EC6, 2005) e do alumínio (EC9, 1998) em situação de incêndio é reduzida em vista da degeneração das propriedades mecânicas dos materiais (figs. 2 e 3) ou da redução da área resistente. O aço e o alumínio têm resistência e módulo de elasticidade reduzidos quando submetidos a altas temperaturas. O concreto, além da redução da resistência, perde área resistente devido ao

Figura 4 - Spalling em pilar de concreto	Figura 5 - Carbonização da madeira (foto Edna Moura)

“spalling”. O “spalling” é um lascamento da superfície do elemento de concreto, devido à pressão interna da água ao evaporar-se e ao comportamento diferencial dos materiais componentes do concreto. Em concretos de alta resistência pode ocorrer o “spalling” explosivo, pela maior dificuldade de percolação da água. O “spalling” reduz a área resistente do concreto e expõem a armadura ao fogo (fig. 4). Os elementos de madeira sofrem carbonização na superfície exposta ao fogo, reduzindo a área resistente (fig. 5) e realimentando o incêndio. Por outro lado, a região central recebe proteção proporcionada pela camada carbonizada e tem pequena redução de resistência.

3 O INCÊNDIO

O aumento da temperatura dos elementos estruturais, em incêndio, deve-se ao fluxo de calor, por convecção e por radiação, provocado pela diferença de temperatura entre os gases quentes do ambiente em chamas e os componentes da estrutura. O fluxo de calor por convecção é gerado pela diferença de densidade entre os gases do ambiente em chamas. Os gases quentes são menos densos e tendem a ocupar a atmosfera superior, enquanto os gases frios, de densidade maior, tendem a se movimentar para a atmosfera inferior do ambiente. Esse movimento gera o contato entre os gases quentes e as estruturas, ocorrendo a transferência de calor (fig. 6). A

Figura 8 - Fluxo de calor através de um elemento de compartimentação

radiação é o processo pelo qual o calor flui, na forma de propagação de ondas, de um corpo à alta temperatura para a superfície de outro à temperatura mais baixa (fig. 7).A superfície aquecida do elemento estrutural gera um fluxo de calor na direção do interior do elemento, aquecendo-o. Essa última transferência de calor denomina-se condução. O fluxo de calor radiante e convectivo age também sobre os elementos de vedação (lajes, paredes, portas, etc.), que devem ter resistência ao fogo suficiente para impedir a propagação do incêndio, por condução, para fora do compartimento em chamas (fig. 8). A compartimentação da edificação é uma medida de proteção passiva fundamental para evitar a propagação, minimizando assim as conseqüências do incêndio. A área máxima de compartimento é, geralmente, estabelecida em códigos ou normas.
Resistência ao fogo é a propriedade de um elemento de construção de resistir à ação do fogo por determinado período de tempo, mantendo sua segurança estrutural, estanqueidade e isolamento (fig. 9).


No que concerne ao estudo da segurança das estruturas, o incêndio pode ser caracterizado por uma curva que fornece a temperatura dos gases em função ao tempo de incêndio (fig. 10). Essa curva apresenta uma região inicial com baixas temperaturas, em que o incêndio é considerado de pequenas proporções. Nessa fase, a combustão pode gerar gases tóxicos ou asfixiantes, mas, o risco de dano à estrutura é baixo. O instante correspondente ao aumento brusco da inclinação da curva temperatura-tempo é conhecido como “flashover” e ocorre quando toda a carga combustível presente no ambiente entra em ignição. A partir desse instante, o incêndio torna-se de grandes proporções tomando todo o compartimento. A temperatura dos gases se eleva rapidamente até todo material combustível extinguir-se. Em seguida, há redução gradativa da temperatura dos gases. Caso a edificação tenha medidas de combate a incêndio (brigada de incêndio, sprinklers, etc.) eficientes para extinguir o fogo antes do “flashover”, a segurança da estrutura será pouco afetada em situação de incêndio (fig. 11). Visto a dificuldade de ajuizar-se essa situação com precisão, é comum verificar-se as estruturas dos edifícios de maior risco para a situação pós-“flashover”.


A curva real é de difícil determinação. Ela é, comumente, substituída por curvas temperatura-tempo naturais (fig. 12), em que o cenário do incêndio é modelado de forma simplificada. Um modelo simplificado para a construção dessas curvas é apresentado no EC 1 (2002).Essas curvas têm por base trabalhos de pesquisadores suecos (Pettersson et all, 1976 e Wickstrom, 1985). O ramo ascendente dessas curvas pode ser obtido pela exp. 1 abaixo.

Onde:

O é função da carga de incêndio por unidade de área do compartimento (EC1, 2002; SILVA, 2004). O valor da carga de incêndio, por ser variável, é determinada a partir de valores característicosafetados por coeficientes de ponderação (), resultando os denominados valores de cálculo das cargas de incêndio específica (). Os valores característicos da carga de incêndio (MJ/m²) são função do tipo de ocupação da edificação e podem ser calculados para cada caso ou estabelecidos em normas (EC 1, 2002), (SIA, 1999). Os coeficientes de ponderação são determinados pelo produto de fatores majorativos () em função das dimensões da edificação e minorativos () em função das medidas de proteção ativa no ambiente. Nesse modelo, portanto, o cenário do incêndio é parametrizado pela quantidade e tipo

Figura 13 - Turbulência dos gases em um incêndio

de material combustível (carga de incêndio), pela quantidade de material comburente (oxigênio) que participa da reação de combustão do incêndio (v) e pelas características térmicas e físicas dos materiais constituintes da vedação do compartimento ( ). Esse modelo admite a temperatura uniforme no compartimento. Essa hipótese é válida em vista da turbulência do incêndio (fig.13), no entanto, devido a simplificações, o modelo simplificado do EC1 (2002) só deve ser utilizada para compartimentos limitados em 500 m2de área de piso e 4 m de altura. Modelos mais precisos podem ser obtidos empregando-se softwares (item 1.2) de modelagem de incêndio, nos quais pode-se considerar duas ou mais zonas de temperaturas (zone model), mais adequado ao pré-“flashover” ou uma distribuição mais realística de temperaturas no compartimento (field model/CFD-computational fluid dynamics).

Tendo em vista que a curva temperatura-tempo do incêndio se altera, para cada situação estudada, convencionou-se adotar uma curva padronizada(fig.14) como modelo para a análise

Figura 14 - Modelo do incêndio-padrão ISO 834

experimental de estruturas, materiais de revestimento contra fogo, portas corta-fogo, etc., em fornos de institutos de pesquisa. Na falta de estudos mais realísticos, essa curva padronizada para ensaios geralmente é adotada como curva temperatura-tempo dos gases. Esse modelo é conhecido como modelo do incêndio-padrão. A curva padronizada mais difundida internacionalmente é a recomendada pela ISO 834 (1994), conforme exp. 2. , mas também podem ser citadas a ASTM E 119 (2000), a norma sueca SBN 67, BS 476 (1987), entre outras. Todas são similares (fig. 15).

t – tempo (min)

Figura 15 - Curvas padronizadas

A curva-padrão é de fácil uso, porém quaisquer conclusões com base nessa curva devem ser analisadas com cuidado, pois o incêndio-padrão não corresponde ao incêndio real. Para seu emprego há necessidade de se utilizar artifícios, tal qual o TRRF, exposto no item 5.1.1.2. A curva-padrão é empregada para incêndio em ambientes com material combustível composto, predominantemente, de materiais celulósicos. O EC1 (2002) padroniza a exp. 3 para incêndio em ambientes com material combustível formado por hidrocarbonetos. (fig. 15).

4 PROTEÇÃO CONTRA FOGO

A segurança das estruturas de aço em situação de incêndio é obtida por meio de proteção antitérmica.
Essa proteção pode ser obtida por meio de:

• auto-proteção: o elemento estrutural isolado, sem revestimento contra fogo, é dimensionado para resistir as altas temperaturas de um incêndio. Geralmente essa é a maneira menos econômica para solucionar o problema.

• barreiras antitérmicas: o elemento de aço é enclausurado em alvenaria ou concreto ou revestido com materiais de revestimento contra fogo caracterizados pela baixa densidade, baixa condutividade térmica e baixo calor específico. As espessuras desses materiais são calculadas por meio analítico ou experimental.

• integração do aço a outros elementos construtivos, constituindo-se as estruturas mistas ou estruturas integradas. As estruturas mistas de aço e de concreto são aquelas em que ambos materiais trabalham de forma solidária para resistir aos esforços externos. Em situação de incêndio há transferência de calor entre os elementos estruturais. Têm-se, por exemplo, as vigas, as lajes e os pilares mistos de aço e concreto (fig. 16). As estruturas integradas são aquelas em que o aço, a altas temperaturas, transfere calor para o concreto ou para a alvenaria, sem, no entanto, haver solidariedade estrutural (figs. 17 e 18).