A ação térmica é descrita pelos fluxos de calor radiativo e convectivo. O primeiro é gerado pelas chamas e pela superfície aquecida dos elementos estruturais e de compartimentação. O segundo, 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 menor, tendem a se movimentarem para e a atmosfera inferior do ambiente [Silva, 2004].
Os materiais combustíveis queimam pela ação conjunta do oxigênio do ar (comburente) e de calor, em condições propícias a se desenvolverem reações em cadeia, sendo produzidas várias substâncias intermediárias durante esse processo, não sendo conhecidas totalmente suas ações, devido à complexidade desse fenômeno [Landi, 1986 apud Gomide, 2008].
Para facilitar a determinação da ação térmica nas estruturas, modelos matemáticos de incêndio foram formulados para descreverem a variação da temperatura do compartimento em função do tempo do sinistro. A relação temperatura x tempo é representada pelas “curvas temperatura-tempo” ou “curvas de incêndio”, as quais podem ser padronizadas (curva-padrão) ou parametrizadas pelas características do cenário do incêndio (curvas naturais) [Costa & Silva, 2006].
3.1. Caracterização do incêndio
O incêndio é modelado por meio de curvas temperatura-tempo; elas associam a elevação da temperatura em função do tempo de duração do incêndio, permitindo estimar a máxima temperatura dos gases quentes no ambiente em chamas.
O incêndio real apresenta três estágios básicos (Figura 3.1):
Ignição: região que representa o início da inflamação (t = 0), com crescimento gradual de temperatura, quase sem influência das características do compartimento (aberturas, material da compartimentação, etc.) e sem risco
à vida humana ou ao patrimônio, por colapso estrutural. Esse estágio é também conhecido como “pré-flashover” [Purkiss, 1996] e termina no instante conhecido por “flashover” (instante de inflamação generalizada). Se as medidas de proteção ativa forem eficientes, o fogo é extinto rapidamente e, portanto, não há necessidade de verificação estrutural [Silva, 2001].
Fase de aquecimento: região caracterizada por uma mudança súbita de crescimento da temperatura. Nesse estágio, todo o material combustível no compartimento entra em combustão; a temperatura dos gases quentes é superior a 300 °C e de crescimento veloz [Walton & Thomas, 1995] até atingir o pico da curva – a temperatura máxima do incêndio, correspondente a máxima temperatura dos gases do ambiente. Em incêndio compartimentado, é possível a temperatura máxima dos gases quentes possa ser superior aos 1000 °C [Purkiss, 1996].
Fase de resfriamento: região que representa a redução gradativa da temperatura dos gases no ambiente, após a completa extinção do material combustível durante a fase de aquecimento [Silva, 2001]. Deve-se notar que devido à inércia térmica, a temperatura no elemento estrutural continuará a aumentar por alguns minutos durante o período de resfriamento, havendo, portanto, um pequeno “atraso” no início do resfriamento [Purkiss, 1996].
Figura 3.1 – Curva temperatura-tempo de um incêndio real. Fonte: Adaptado de Costa & Silva, 2006.
Os estágios de um incêndio podem ser definidos pelos seguintes pontos: início do “pré-flashover”, “flashover” e temperatura máxima. Os instantes correspondentes ao “flashover” e à temperatura máxima variam de incêndio para incêndio, bem como as respectivas temperaturas. Os fatores que determinam a variabilidade de um incêndio em relação a outro são carga de incêndio, grau de ventilação e características da compartimentação [Costa & Silva, 2006].
3.2. Curvas-padrão de incêndio
O incêndio-padrão é o modelo de incêndio idealizado para análises experimentais, admitindo-se que a temperatura dos gases quentes no compartimento em chamas obedeça às curvas padronizadas. Na ausência de dados realísticos, as curvas padronizadas podem ser consideradas como a função temperatura da atmosfera do ambiente compartimentado [Costa & Silva, 2006].
A necessidade de se reproduzir em laboratório ensaios que possibilitassem comparar diversos materiais quanto à sua capacidade de suportar a ação do fogo, por um tempo determinado, proporcionou um modelo de incêndio teórico cuja lei de variação de temperatura em função do tempo fosse perfeitamente definida [Landi, 1986 apud Gomide, 2008]. As curvas- padrão para incêndios não representam o comportamento real do incêndio em estruturas, já que o comportamento, a quantidade e a qualidade dos materiais combustíveis são diversos de acordo com cada incêndio.
As curvas-padrão possuem apenas o ramo ascendente (Figura 3.2), com a temperatura crescendo em relação ao tempo, independente da influência da carga de incêndio e do grau de ventilação do compartimento e das propriedades térmicas dos materiais. Portanto, as curvas-padrão não representam uma situação real de incêndio, uma vez que as características do cenário do incêndio podem variar de um compartimento para o outro [Costa, 2002, Costa & Silva, 2003, Silva, 2004]; contudo, elas são usadas para facilitar os ensaios em série de elementos construtivos para avaliar a sua resistência a fogo, com isso, essas curvas apresentam-se com a finalidade de fornecer parâmetros de projeto.
Figura 3.2 – Curva temperatura-tempo do incêndio-padrão. Fonte: Adaptado de Costa & Silva, 2006
As curvas padronizadas mais citadas na literatura técnica são as curvas da International Organization for Standardzation – ISO – 834-1 (1999) – Eq. 3.1 e American Society for Testing and Materials – ASTM – E119 (2000) – Eq. 3.2. A NBR 14432:2001 e a NBR 5628:2001 recomendam a curva ISO 834-1 como curva temperatura tempo padrão.
0 345.log(8 1)
g tm
3.1
Onde:
g
: temperatura dos gases quentes no ambiente em chamas, no instante t (ºC) 0
: temperatura dos gases no instante tm=0, adotado igual a 20ºC tm : tempo em minutos ( 3,79533. ) 20 750.[1 th ] 170, 41. g e th 3.2 Onde: th : tempo em horas
O Eurocode 1 (prEN 1991-1-2:2002) adota a curva ISO 834 como curva- padrão temperatura-tempo, apresentando, também, outra curva, considerando que os materiais combustíveis do ambiente sejam formados por hidrocarbonetos, representada pela Eq. 3.3.
-0,167 -2,5
1080 . (1- 0,325 tm- 0, 675 tm) 20
g e e
A Figura 3.3 apresenta as curvas-padrão definidas pela norma ISO 834- 1 (1999), pela ASTM E119 (2000) e pelo Eurocode 1 (prEN 1991-1-2:2002).
Figura 3.3 – Comparação entre as curvas padronizadas temperatura-tempo. Fonte: Adaptado de Gomide, 2008.
Em pesquisa realizada por Costa & Silva (2006), eles observam que curvas padronizadas não representam um incêndio real, mas são internacionalmente recomendadas em normas e procedimentos de ensaios por questões práticas. As exigências prescritivas de segurança contra incêndio apresentadas em normas e regulamentos, baseiam-se na curva-padrão ISO 834, para materiais celulósicos.