Para determinação da resistência dos elementos utilizou-se o Método das Zonas através do programa de cálculo desenvolvido por ser o método recomendado para aplicar aos elementos e pela sua aplicação ser rápida.
7.3.1.LAJES
Para determinação das propriedades do betão, dividiu-se a altura da laje em 3 zonas de acordo com a aplicação do Método das Zonas, sendo a zona 1 a zona inferior da viga. Com base nessa divisão determina-se as propriedades de cada zona juntamente com as propriedades do ponto M definido pelo método, determinando-se assim as dimensões da secção reduzida. Na Tabela 7.6 apresentam-se os resultados obtidos para as lajes.
Tabela 7.6 – Propriedades do betão
Temp [ºC] Kc Kmédio az [m] heq [m]
Zona 1 490,2 0,615 0,810 0,034 0,146 Zona 2 122,55 0,989 Zona 3 36,05 1 Ponto M 20 1 -
A aplicação do método requer a determinação da temperatura das armaduras de forma a determinar a sua capacidade resistente em situação de incêndio. A resistência das lajes é determinada com base na secção de betão reduzida e na redução de resistência das armaduras, apresentando-se na Tabela 7.7 as características das armaduras em situação de incêndio e a capacidade resistente obtid, sendo esta comparada com as acções em situação de incêndio para verificação da segurança.
Tabela 7.7 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança
Laje Temp varões [ºC] Ks x [m] Mrd,fi [kN.m] εs [‰] Me,fi[[kN.m] Segurança
Cobertura 473,3 0,836 0,01577 45,00 29,58 29,86 OK Restantes pisos 473,3 0,836 0,01577 45,00 29,58 27,68 OK
Analisando os resultados obtidos, verifica-se que a segurança em situação de incêndio é respeitada, existindo uma diferença razoável entre os esforços resistentes e actuantes.
7.3.2.VIGAS
A verificação da segurança em vigas deve ser efectuada em locais de momentos positivos e em locais de momentos positivos. Em ambos os casos o fogo actua na zona inferior da viga, sendo afectados de forma diferente. No caso de momentos positivos, as armaduras encontram-se sob acção do fogo sendo afectadas juntamente com o betão. Para a situação de momentos negativos, as armaduras encontram-se protegidas na zona superior da viga, sendo apenas o betão afectado pela acção do fogo.
7.3.2.1. Momentos positivos • Cobertura
No caso de vigas é necessário dividir a largura da secção em 6 zonas diferentes para aplicação do Método das Zonas. Na Tabela 7.8 apresentam-se os resultados obtidos para a secção do betão de forma a obter a secção reduzida em situação de incêndio. Note-se que no cálculo de az, a largura a introduzir
para a viga é b, sendo apenas o cálculo da capacidade determinado com beff.
Tabela 7.8 – Propriedades do betão
Temp [ºC] Kc Kmédio az [m] beq [m] heq [m]
Zona 1 597,4 0,454 0,731 0,033 1,943 0,367 Zona 2 246,7 0,903 Zona 3 114,1 0,993 Ponto M 103,5 0,998 -
Como a armadura se encontra na zona inferior da viga, torna-se necessário obter os coeficientes de redução da resistência do aço. Na tabela 7.9 apresentam-se os resultados obtidos.
Tabela 7.9 – Temperatura dos varões e coeficientes de redução associados
Varão Temp [ºC] Ks
1 596,7 0,343 2 435,5 0,654 3 435,5 0,654 4 596,7 0,343
Estando a secção reduzida definida e as armaduras com a capacidade resistente reduzida, é possível obter a capacidade resistente da secção. Relembra-se que se considera uma secção em “T” para a viga na análise efectuada. Na Tabela 7.10 apresenta-se a capacidade resistente obtida e é efectuada a verificação da segurança da viga.
Tabela 7.10 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança
Viga x [m] Mrd,fi [kN.m] εs [‰] Me,fi[[kN.m] Segurança
Cobertura 0,00737 91,47 151,84 81,47 OK
Verifica-se que a viga de cobertura satisfaz as exigências de resistência ao fogo sendo a margem reduzida mas ainda segura.
• Restantes pisos
Para os restantes pisos a análise é em tudo semelhante ao caso da viga de cobertura, apenas sendo modificadas as dimensões da secção da viga. Na Tabela 7.11 apresentam-se as propriedades do betão para a situação de incêndio exigida.
Tabela 7.11 – Propriedades do betão
Temp [ºC] Kc Kmédio az [m] beq [m] heq [m]
Zona 1 597,0 0,454 0,732 0,033 1,943 0,417 Zona 2 246,0 0,904 Zona 3 113,5 0,993 Ponto M 102,89 0,999 -
Na Tabela 7.12 apresentam-se os coeficientes de redução associados a cada varão.
Tabela 7.12 – Temperatura dos varões e coeficientes de redução associados
Varão Temp [ºC] Ks
1 593,9 0,489 2 431,7 0,930 3 431,7 0,930 4 593,9 0,489
Considerando também a secção como uma viga em “T” determina-se a capacidade resistente e é efectuada a verificação de segurança na Tabela 7.13.
Tabela 7.13 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança
Viga x [m] Mrd,fi [kN.m] εs [‰] Me,fi[[kN.m] Segurança
Restantes pisos 0,00745 106,85 173,54 86,13 OK
Verifica-se que para os restantes pisos a viga sujeita a momentos positivos verifica a segurança em situação de incêndio com uma margem considerável.
7.3.2.2. Momentos negativos
Nas zonas de momentos negativos as armaduras encontram-se protegidas pela viga e não se consideram afectadas pela acção do fogo. Desta forma apenas as propriedades do betão são afectadas no cálculo da capacidade resistente.
• Cobertura
A divisão da secção de betão em zonas é semelhante ao caso de vigas sujeitas a momentos positivos, mas neste caso a secção reduzida corresponde a uma secção rectangular e não a uma secção em “T”, pois o betão comprimido encontra-se na zona inferior da viga. Na Tabela 7.14 apresentam-se os resultados obtidos.
Tabela 7.14 – Propriedades do betão
Temp [ºC] Kc Kmédio az [m] beq [m] heq [m]
Zona 1 597,4 0,454 0,731 0,033 0,183 0,367 Zona 2 246,7 0,903 Zona 3 114,1 0,993 Ponto M 103,5 0,998 -
Na Tabela 7.15 apresenta-se a capacidade resistente obtida e a verificação da segurança da viga.
Tabela 7.15 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança
Viga x [m] Mrd,fi [kN.m] εs [‰] Me,fi[[kN.m] Segurança
Cobertura 0,13747 119,92 3,97 88,37 OK
Analisando os resultados verifica-se que a viga de cobertura sujeita a momentos negativos verifica a segurança em relação à acção do fogo com uma margem considerável.
• Restantes pisos
Tal como para a viga de cobertura, a secção a verificar é uma secção rectangular, sendo dividida em zonas para a determinação da secção reduzida (ver Tabela 7.16).
Tabela 7.16 – Propriedades do betão
Temp [ºC] Kc Kmédio az [m] beq [m] heq [m]
Zona 1 597,4 0,454 0,731 0,033 0,183 0,367 Zona 2 246,8 0,903 Zona 3 114,2 0,993 Ponto M 103,5 0,998 -
Os resultados obtidos e a verificação da segurança das vigas apresentam-se na Tabela 7.17.
Tabela 7.17 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança
Viga x [m] Mrd,fi [kN.m] εs [‰] Me,fi[[kN.m] Segurança
Cobertura 0,16498 137,27 2,73 110,87 OK
Verifica-se que a segurança é satisfeita com uma margem considerável.
7.3.3.PILARES
A análise de pilares requer um cuidado maior devido aos efeitos de segunda ordem associados. Para tal, considerou-se um comprimento efectivo de encurvadura, l0, de 2,1m para todos os pisos, o que
corresponde a considerar um comprimento do pilar, l, entre 3 e 4 metros de altura, dependendo das condições de rotação nas suas extremidades (para pilares biencastrados, lo = 0,5l, para pilares com
encastramento numa extremidade e apoio simples na outra l0 = 0,7l). O valor do esforço axial aplicado
em cada análise corresponde ao valor apresentado nas Tabelas 7.4 e 7.5.
Tal como para os elementos anteriores, é necessário dividir a secção de betão em zonas e determinar as temperaturas dos varões obtendo-se a secção reduzida de betão e a resistência de cada varão. No Anexo 2 apresentam-se tabelas com estas características para cada pilar e para cada piso analisado. Definidas as características da secção em situação de incêndio, é possível efectuar a determinação da capacidade resistente associada. Nas Tabelas 7.18 e 7.19 apresentam-se os momentos resistentes totais e os momentos de segunda ordem em situação de incêndio, obtidos para os dois pilares nos diversos pisos. Apresentam-se também os momentos resistentes de primeira ordem associados comparados com os efeitos actuantes de primeira ordem em situação de incêndio,
7.3.3.1. Pilar P1
Tabela 7.18 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança Piso x [m] Mrd,fi [kN.m] M2,fi [kN.m] [kN.m] M0rd,fi Med,fi[[kN.m] Segurança
8 0,0571 9,48 2,15 7,33 20,05 KO 7 0,1177 8,29 3,52 4,77 16,39 KO 6 0,1373 30,56 5,25 25,31 31,57 KO 5 0,1648 31,56 6,26 25,31 27,57 KO 4 0,2882 15,58 3,50 12,07 25,38 KO 3 0,1970 81,88 8,40 73,48 38,44 OK 2 0,2245 65,27 8,79 56,48 32,42 OK 1 0,2377 117,11 9,67 107,44 46,63 OK R/C 0,2477 189,94 10,67 179,28 32,79 OK
7.3.3.2. Pilar P2
Tabela 7.19 – Esforços resistentes em situação de incêndio e verificação da segurança
Piso x [m] Mrd,fi [kN.m] M2,fi [kN.m] M0rd,fi
[kN.m] Med,fi[[kN.m] Segurança 8 0,0978 10,40 3,11 7,29 1,18 OK 7 (1) - - - 0,61 KO 6 0,3674 4,98 2,07 2,91 1,03 OK 5 0,4433 7,99 2,25 5,74 1,76 OK 4 0,3111 31,72 4,84 26,87 2,55 OK 3 0,2353 118,83 9,64 109,20 4,55 OK 2 0,2675 95,68 9,95 85,73 2,31 OK 1 0,2768 167,01 11,04 155,97 6,01 OK R/C 0,2923 190,59 11,85 178,75 0,73 OK
(1) A secção não é capaz de suportar o esforço axial actuante em flexão simples
Analisando os resultados obtidos verifica-se que para o pilar P1 a segurança não é verificada para os pisos superiores. Esta falta de resistência é provocada pelo pequeno esforço axial aplicado que não permite obter um momento resistente da secção suficiente para resistir aos momentos aplicados por acção do fogo. Verifica-se também que os momentos de segunda ordem são superiores nos pisos inferiores, embora sejam mais significativos nos pisos superiores por serem atingidos momentos totais resistentes superiores.
Para o pilar P2 verifica-se que todo ele se encontra em segurança com uma margem considerável excepto no piso 7. O pilar neste piso apresenta-se indevidamente dimensionado pois em situação de incêndio não é capaz de resistir sequer aos esforços axiais instalados devido à elevada degradação dos materiais. Verifica-se também que os momentos de segunda ordem são superiores nos pisos inferiores, embora sejam mais significativos nos pisos superiores.
7.4.CONCLUSÃO
Analisando os resultados obtidos verifica-se que as vigas e as lajes satisfazem os requisitos de segurança em situação de incêndio. No entanto, a estrutura não verifica a segurança pois os pilares em alguns pisos não verificam os esforços resistentes necessários.
Os pilares mais problemáticos são os pilares localizados nos pisos superiores da extremidade do pórtico, sendo solicitados em flexão composta por momentos flectores importantes. Os esforços axiais actuantes não são suficientemente elevados para a secção mobilizar uma maior resistência aos momentos flectores, verificando-se desta forma a insegurança para o grau exigido de resistência ao fogo. Embora os efeitos de encurvadura sejam reduzidos para os pisos superiores, verifica-se que diminuem significativamente os momentos resistentes para esforços de primeira ordem. Contudo, a inexistência de efeitos de segunda ordem não significaria um aumento de resistência capaz de satisfazer a segurança para todos os casos, sendo desta forma os efeitos de flexão composta condicionantes para a insegurança da estrutura.
Para que a estrutura verifique condições de segurança em situação de incêndio deverão ser analisados os casos onde esta não é verificada, corrigindo a disposição de armaduras ou as dimensões do pilar. Note-se que a segurança a temperatura normal também deverá ser satisfeita, logo a correcção da posição e da quantidade de armaduras deverá ter em consideração esta exigência.
8
CONCLUSÕES
8.1.CONCLUSÕES GERAIS
A acção do fogo é tratada de uma forma bastante simplificada devido à sua complexidade. Se por um lado a definição da evolução das temperaturas durante um incêndio varia caso a caso, tendo de se assumir curvas simples temperatura versus tempo, por outro o comportamento do betão ao fogo não se encontra completamente caracterizado devido à sua grande heterogeneidade.
As simplificações adoptadas pelo Eurocódigo 2, Parte 1-2, orientam para a utilização da acção do fogo padrão, que se caracteriza por uma curva nominal sempre crescente. Desta forma não é analisada a fase de arrefecimento que é bastante importante. Para além disso o referido código direcciona o projectista para uma verificação da segurança dos elementos isoladamente da estrutura onde estão inseridos, e atribui propriedades ao betão que na realidade podem ser bastante diferentes, pois dependem de factores como a composição, o teor de humidade e condições de exposição ao fogo, entre outros. Contudo, se não se adoptarem simplificações e imposições, a verificação de segurança em situação de incêndio seria altamente complexa e trabalhosa, podendo ser menosprezada quando na realidade pode ser a acção mais desfavorável em alguns casos.
Analisando as temperaturas das secções dos elementos com as propriedades definidas no Eurocódigo 2, Parte 1-2, verifica-se que o betão é um material bastante resistente ao fogo graças à sua baixa condutibilidade térmica. Desta forma apenas as zonas mais exteriores das secções são significativamente afectadas, permanecendo o núcleo com a sua resistência praticamente inalterada. Verifica-se também que o efeito da acção do fogo é bastante dependente da dimensão da face do elemento estrutural mais exposta, e não tanto da área da secção transversal, pelo que o Eurocódigo apresenta poucos perfis de temperatura para apoiar a aplicação dos métodos de cálculo de resistências. Estes perfis possibilitam que ponto a ponto sejam determinadas as temperaturas induzida pelo fogo, e com base nelas as reduções de resistência induzidas localmente no betão e nas armaduras. No entanto, a perfeita definição da temperatura no ponto pretendido é problemática, devido ao erro de leitura nos perfis de temperatura apresentados.
Na aplicação dos métodos simplificados verifica-se que a aplicação do Método Tabular é bastante rápida e simples. Trata-se apenas de consultar tabelas que especificam dimensões e recobrimentos mínimos para as secções de forma a verificarem um determinado tempo de resistência ao fogo especificado. Este procedimento revela-se uma abordagem bastante conservativa, sendo recomendada apenas para casos onde a acção de incêndio se apresente como pouco desfavorável para a estrutura. Esses casos correspondem a níveis de exigência de tempo de resistência ao fogo reduzidos (30 ou 60 minutos de exposição). A aplicação dos restantes métodos simplificados (Método das Zonas e Método
da Isotérmica dos 500ºC) é bastante semelhante entre si, recomendando-se a sua utilização para exigências de resistência à acção do fogo não negligenciáveis, de forma a permitir aproveitar a capacidade resistente da estrutura, diminuindo os seus custos. Note-se que a aplicação destes métodos requer uma leitura relativamente precisa dos perfis de temperaturas: desvios de 1cm no posicionamento dos varões podem originar erros da ordem dos 100ºC nas respectivas temperaturas, o que não é de todo desprezável.
O Método das Zonas apresenta-se como o mais rigoroso dos métodos ditos simplificados, devido ao procedimento adoptado para a obtenção da espessura de betão danificado, sendo um método susceptível de maior erro quando aplicado manualmente devido aos sucessivos erros de leitura de temperaturas nos perfis apresentados. Desta forma, apenas se justifica em análises em que se disponha de perfis de temperatura relativamente rigorosos, sendo preferível adoptar o Método da Isotérmica dos 500ºC para análises menos detalhadas de vigas e lajes (os resultados obtidos através destes dois métodos são muito semelhantes).
Para o caso de pilares, os efeitos de segunda ordem tornam-se bastante importantes, não sendo devidamente considerados no Método da Isotérmica dos 500ºC, que conduz a resultados menos conservativos. Nesta situação deverá utilizar-se o Método das Zonas por apresentar um procedimento que inclui minimamente estes efeitos, apresentando valores de resistência ao fogo mais conservativos. Na aplicação do Método das Zonas e do Método da Isotérmica dos 500ºC verifica-se que a disposição de armaduras é um factor bastante influente da capacidade resistente dos elementos. A concentração de armaduras nas zonas dos cantos das secções é bastante desfavorável, pois nessas zonas são atingidas temperaturas bastante superiores que provocam uma degradação superior das armaduras, logo uma diminuição bastante superior da tensão resistente do aço. Desta forma é recomendada a distribuição das armaduras pela periferia da secção, pois embora os diâmetros das correspondentes armaduras sejam menores, logo mais próximos da superfície da peça e com temperaturas de alguns varões superiores, o aumento da resistência provocado pela diminuição da temperatura dos varões mais protegidos é claramente vantajoso. A título de exemplo refere-se que em França é obrigatório por regulamento a colocação de três camadas de armadura em vigas para atenuar os efeitos provocados pela acção do fogo. Esta medida no entanto parece bastante conservativa pois com apenas uma camada ou duas de armadura, é possível satisfazer de forma adequada as exigências em situação de incêndio. Note-se que, no caso de pilares solicitados em flexão desviada à temperatura ambiente é geralmente recomendada uma disposição contrária, privilegiando a concentração das armaduras junto aos cantos; neste caso, e se a acção de incêndio for importante, deverá adoptar-se uma solução intermédia entre ambas as referidas distribuições de armadura, de forma a garantir adequadas capacidades resistentes tanto em situações de projecto à temperatura ambiente como sob a acção do fogo.
Outro factor bastante importante diz respeito ao valor dos recobrimentos. Como as zonas mais afectadas pelo fogo são as zonas superficiais, a adopção de recobrimentos maiores garante uma maior protecção das armaduras, atingindo estas temperaturas mais baixas. Esta medida torna a peça mais resistente à acção do fogo, mas deve ser tomada com alguns cuidados. A colocação correcta em obra das armaduras é uma tarefa por vezes difícil de assegurar, podendo conduzir a aplicação de recobrimentos menores do que os previstos em fase de dimensionamento. Desta forma devem ser garantidas tolerâncias para os recobrimentos adoptados suficientes para garantir a segurança de algum erro de colocação de armaduras. Note-se que, por outro lado, a aplicação de recobrimentos exagerados pode originar problemas de destacamento do betão correspondente, aumentando a exposição das armaduras.
Foi analisada uma estrutura com 9 pisos de altura superior a 28 metros, destinada a escritórios. As exigências impostas para esta estrutura ao fogo requerem um tempo mínimo de resistência à acção do fogo de 90 minutos. A verificação da segurança ao fogo desta estrutura permitiu concluir que apresentava um bom comportamento para as lajes e vigas, mas insuficiências de capacidade resistente nos pilares dos pisos superiores. Desta forma evidencia-se a importância da acção do fogo no dimensionamento dos pilares, que pode não permitir esforços resistentes em flexão composta capazes de satisfazer as exigências para pilares com menores esforços axiais. Nos pisos inferiores os efeitos de segunda ordem são superiores devido ao aumento de excentricidade do esforço axial provocado pela diminuição das características resistentes. Note-se que as exigências consideradas para a estrutura analisada foram algo gravosas, sendo que na maioria das estruturas correntes as exigências são menores já que o grau de risco usual das estruturas é menor, embora dependente do tipo de ocupação da estrutura.
8.2.RECOMENDAÇÕES
Para aumentar a segurança de uma estrutura à acção do fogo existem várias formas de actuar, devendo para cada caso adoptar-se a mais adequada. Como já referido, a adopção de soluções de armadura mais distribuídas e recobrimentos superiores asseguram uma maior resistência do elemento à acção do fogo. Uma outra solução corresponde a aumentar as dimensões da secção, diminuindo assim a profundidade das isotérmicas e aumentando a área de betão resistente. A adopção de secções com dimensões pouco maiores não altera significativamente a profundidade das isotérmicas, ficando as armaduras com uma exposição ao fogo semelhante à situação anterior. No entanto, o aumento da área de betão provoca um incremento considerável da sua capacidade resistente, permitindo eventualmente aumentar a capacidade resistente da secção.
Por razões diversas as soluções anteriores poderão não ser aplicáveis em determinados casos, sendo necessário recorrer a alternativas. Essas protecções normalmente consistem em aplicar aos elementos estruturais revestimentos de grande isolamento térmico ou elevada capacidade térmica. Salienta-se, no entanto, a necessidade destes revestimentos possuírem uma boa resistência mecânica a choques e impactos, e uma boa aderência ao elemento a proteger, evitando a separação provocada pela dilatação com a temperatura ou pela excessiva deformação da estrutura. Entre as várias protecções possíveis destacam-se as argamassas à base de gesso, as pinturas intumescentes e as fibras minerais (fibra de vidro ou de rocha). Note-se que a aplicação destas protecções deve ser efectuada com os devidos cuidados, de forma a garantir uma perfeita colocação e protecção.
Dado que o fogo não afecta apenas as estruturas mas sim todo o edifício e o seu conteúdo, nunca é de mais salientar que outras medidas deverão ser tomadas para diminuir as consequências, por vezes devastadoras, provocadas pelo fogo. Essas medidas dizem respeito ao total respeito do Regulamento Geral de Segurança Contra Incêndio em Edifícios para elementos não estruturais, passando também pela aplicação de materiais e revestimentos resistentes ao fogo, adopção de disposições arquitectónicas adequadas, e aplicação de medidas de segurança como extintores, sprinklers e bocas-de-incêndio. Também é importante referir que uma boa mentalização de cada um para uma situação de incêndio é sempre benéfica para a sociedade, podendo fazer a diferença entre esta acção de acidente originar a mera ocorrência de danos materiais ligeiros, ou a perda de vidas e elevados danos materiais. Cabe aos engenheiros civis garantir que a estrutura resista o tempo suficiente para diminuir as perdas em situação de incêndio.
8.3.TRABALHO FUTURO
O algoritmo de cálculo da capacidade resistente de secções em situação de incêncio desenvolvido neste trabalho é uma ferramenta bastante simples e rápida de aplicar, mas possui ainda algumas limitações, sendo possível torná-la mais geral e eficaz. A obtenção das temperaturas nas secções sob a acção do fogo é precisa, mas restringida à geometria rectangular, limitação que poderá ser facilmente ultrapassada em posteriores desenvolvimentos deste trabalho. As limitações nas disposições das armaduras em camadas, bem como o condicionamento de utilização de varões com o mesmo diâmetro, poderão também ser superadas sem dificuldades especiais.
O conhecimento real do comportamento das estruturas ao fogo é ainda bastante superficial, sendo necessário compreender de forma mais detalhada como é afectado o comportamento para teores de