Proteção de Estruturas Metálicas Frente ao Fogo

Fabio Domingos Pannoni, M.Sc., Ph.D. [1]

Introdução

Os projetos estruturais que tratam da resistência ao fogo são baseados no fato de que as altas

temperaturas decorrentes de um incêndio reduzem a resistência mecânica e a rigidez dos

elementos estruturais da edificação, e, adicionalmente, promovem expansões térmicas

diferenciais, podendo levar a estrutura ao colapso.

Neste sentido, pode-se considerar que as preocupações se segurança contra incêndio em uma

edificação se referem a três objetivos fundamentais, que são, por ordem decrescente de

importância:

1. A proteção das vidas dos ocupantes do edifício, bem como dos bombeiros que nele

tenham de atuar em caso de sinistro;

2. A proteção dos bens existentes no edifício e das atividades que se desenvolvem no

mesmo;

A proteção do próprio edifício contra danos de incêndios que possam se deflagrar

nele ou em edifícios vizinhos.

3. A segurança em caso de incêndio depende, principalmente, das condições de

evacuação das pessoas e das condições para se evitar a propagação de fumos e

gases, que são as causas principais das perdas de vidas humanas. As falhas

estruturais têm importância muito menor neste aspecto, e somente tem caráter

relevante quando podem ocasionar problemas para a evacuação das pessoas.

Quando um incêndio é deflagrado num edifício, a sua ação se faz sentir diretamente nos

elementos estruturais que constituem o compartimento de incêndio e, indiretamente, em zonas

mais ou menos afastadas deste. Toda a estrutura do edifício encontra-se sob a ação do peso

próprio e sobrecargas de forma que, no início do incêndio, a mesma está submetida a um certo

estado inicial de tensão e, portanto, a um determinado estado de deformação. A este estado

inicial de tensão vem sobrepor-se um novo estado de tensão, resultante do aquecimento

diferencial a que os elementos estruturais ficam submetidos. De fato, os vários elementos

constituintes da estrutura de um edifício encontram-se mais ou menos rigidamente interligados

e, quando alguns deles são mais aquecidos do que outros, as respectivas dilatações térmicas

são restringidas, dando origem a um novo estado de tensão, variável no tempo, à medida que

o incêndio se desenvolve. A sobreposição, deste estado de tensão com o estado de tensão

inicial, dá origem a um estado de deformação, que é também variável no tempo.

Por outro lado, as propriedades mecânicas dos materiais que constituem os elementos

estruturais, degradam-se com o aumento da temperatura. Isto significa, por exemplo, que um

elemento sujeito a um estado de tensão que permaneça constante, poderá ter sua capacidade

resistente esgotada ao fim de um certo período de tempo. A ação do incêndio não se faz sentir

unicamente nos elementos diretamente sob a ação do fogo. Em certas situações, elementos

relativamente afastados do compartimento de incêndio poderão ser os primeiros a entrar em

colapso, em virtude do estado de tensão que as deformações de origem térmica da zona

diretamente aquecida impõe ao resto da estrutura.

As medidas de segurança e proteção contra incêndio podem se classificar em ativas e

passivas. As medidas ativas prevêem a existência de meios adequados à salvação das

pessoas, começando pelo próprio projeto arquitetônico (corredores e escadas amplas, zonas

limpas de fumos, etc.). Estas medidas também visam reduzir a probabilidade de ocorrência de

incêndios severos, através da atuação em suas causas acidentais e da detecção de focos e

limitações das possibilidades de propagação.

As medidas de proteção passivas visam reduzir a probabilidade de colapso estruturas sempre

que ocorra um incêndio severo. Esta probabilidade depende da resistência ao fogo, a qual

compreende três aspectos, ou seja, a capacidade resistente da estrutura, a sua integridade

perante ao fogo e a sua capacidade de isolamento térmico e que devem ser observados para

os vários elementos da construção. A capacidade resistente da estrututura vai depender

fortemente do comportamento do material estrutural utilizado, ou seja, do grau de variação de

suas propriedades físicas e mecânicas com a temperatura. É fato bem conhecido que os aços

estruturais (assim como outros materiais) sofrem reduções progressivas em sua resistência

mecânica quando submetidos a condições de trabalho em temperaturas superiores à ambiente.

Neste sentido, a utilização na construção metálica, de aços menos sensíveis às altas

temperaturas ou de mecanismos adequados, por exemplo, utilização de películas protetoras

nos elementos estruturais, para a melhoria de sua capacidade de isolamento térmico, também

constituem medidas de proteção passiva.

Quando os elementos estruturais principais de uma construção em aço são expostos a altas

temperaturas, durante condições típicas de um incêndio, os mesmos podem ter a sua

resistência mecânica reduzida a ponto de levar toda ou parte da construção a um colapso.

Estudos relativos à resistência ao fogo de construções metálicas iniciaram-se devido ao

colapso de muitas edificações feitas com ferro fundido, durante o famoso incêndio em Chicago

em 1871, no qual cerca de 17.000 prédios foram destruídos total ou parcialmente. Uma das

grandes razões para a facilidade com que os prédios foram destruídos pelo incêndio foi que o

ferro fundido, ao contrário do aço, contém maiores teores de carbono e, uma vez aquecido à

temperaturas altas o suficiente e resfriado por água durante operações de combate ao fogo,

exibe, com freqüência, trincas e fissuras.

As construções metálicas atuais em aço não são tão facilmente destruídas pelo fogo,

entretanto, um dos pontos mais importantes nos projetos de construção civil é reduzir o risco

de incêndio e, caso estes ocorram, aumentar o tempo de início de deformação da estrutura,

conferindo, assim, maior segurança a estas construções [8]. Por isso, a legislação para

construção civil de vários países estabelece exigências mínimas de resistência ao fogo para os

componentes estruturais. Estas normas de segurança contra incêndios, em geral, levam em

consideração uma temperatura crítica na qual o aço perde uma proporção significativa de sua

resistência mecânica ou atinge um estado limite de deformações ou de tensões, ou seja, uma

temperatura que represente uma condição de falha, que pode representar o colapso da

estrutura. Usualmente, refere-se também a um tempo de resistência ao fogo, ou seja, ao tempo

para que a temperatura crítica ou condição de falha seja alcançada.

Recentemente, foram implementadas normas Brasileira NBR 14323 e NBR 14432 relativas ao

dimensionamento de estruturas de aço em incêndios e às exigências de resistência ao fogo de

elementos construtivos de edificações. De acordo com estas normas, o dimensionamento em

situação de incêndio envolve a verificação dos elementos estruturais e suas ligações no que se

refere à estabilidade e à resistência aos esforços solicitantes em temperatura elevada, a fim de

se evitar o colapso da estrutura durante tempos de resistência ao fogo que variam de 1/2 a 2

horas, dependendo do tipo da edificação. A Figura 1 mostra os fatores de redução em

temperatura elevada (relativos aos valores a 200C) previstos pela NBR 14323 (NBR, 1999)

para o limite de escoamento dos aços laminados a quente (ky, ), o limite de escoamento dos

aços trefilados (kyo, ), e o módulo de elasticidade de todos os tipos de aço (kE, ).

Figura 1: Valores dos fatores de redução para o limite de escoamento e o módulo de

elasticidade do aço com a temperatura, como previstos pela NBR 14323 (NBR, 1999).

A NBR 14323 ainda prevê que caso algum aço estrutural possua variação do limite de

escoamento ou do módulo de elasticidade com a temperatura diferente da apresentada na

figura 1, os valores próprios deste aço poderão ser utilizados.

Para se aumentar o tempo necessário para que a temperatura crítica seja alcançada, ou seja,

para se aumentar o tempo de resistência ao fogo recorre-se, muitas vezes, à aplicação de

materiais isolantes térmicos por sobre a superfície dos componentes estruturais. Alguns

materiais utilizados como isolantes térmicos são, por exemplo, lã de rocha, revestimentos

intumescentes, argamassas, placas, fibras minerais, etc.. A título de exemplo, assumindo um

tempo de resistência ao fogo de 3 horas para um edifício de grande porte em aço estrutural

comum, seria necessária uma camada de cerca de 50 mm de isolamento térmico na superfície

dos elementos estruturais para que a temperatura nos mesmos não supere os 550oC naquele

tempo7. Por outro lado, a utilização de materiais isolantes implica em alguns efeitos

indesejáveis. A utilização da camada de isolamento térmico pode onerar em cerca de 10 a 30%

o custo total da estrutura metálica utilizada, reduzindo a competitividade da construção

metálica.

As Normas Brasileiras

Para que se possa verificar a segurança estrutural em situação de incêndio dos elementos

estruturais de aço de uma edificação, é necessário conhecer a exigência de resistência ao fogo

para cada tipo de elemento (viga, pilar, laje) conforme as normas vigentes no país. As Normas

Brasileiras que tratam da segurança estrutural frente ao fogo foram aprovadas em 1999: NBR

14432 “Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos de Edificações –

Procedimento” e NBR 14323 “Dimensionamento de Estruturas de Aço de Edifícios em Situação

de Incêndio – Procedimento”. O desempenho requerido para os elementos de construção

estrutural (concreto, madeira ou aço) ou de compartimentação prescritos na NBR 14432 trata

de prevenir o colapso estrutural, tornando possível a retirada dos ocupantes, de reduzir os

danos às propriedades vizinhas e permitir o rápido acesso do Corpo de Bombeiros.

A Norma fornece uma Tabela, resumida abaixo, com recomendações consagradas, fruto do

consenso da sociedade, de tempos requeridos de resistência ao fogo (TRRF) sob o conceito

de fogo padrão descrito na Norma ISO 834 [11]. De acordo com a elevação de temperatura dos

gases do forno como descritos na ISO 834, BS476 e LPS1107, quando a Tabela propõe uma

resistência ao fogo de 30 minutos, significa que a estrutura deve permanecer estável quando a

atmosfera ao seu redor estiver a aproximadamente 820oC, 1 hora significa 930

oC e 2 horas

1030oC. Quanto maior a resistência requerida, maior a temperatura que a estrutura deve

resistir.

A Norma aceita, como alternativa, o uso de qualquer método cientificamente confirmado ou

normatizado, como o Método do Tempo Equivalente, a Análise de Risco como a proposta por

Gretener ou métodos mais avançados de engenharia de incêndio.

À medida que o risco à vida humana é considerado maior, devido à ocupação, altura do

edifício, etc., a exigência torna-se mais rigorosa e maior será o tempo requerido de resistência.

A Norma prevê ainda isenções, baseadas na pequena probabilidade da ocorrência de

acidentes em pequenos edifícios cuja evacuação é simples, tais como estruturas de pequena

área ou de um andar. A Tabela localizada na próxima página resume estas isenções prescritas

na NBR 14432.

Apesar de a NBR 14432 ser válida para todo o Brasil, é importante verificar a existência de

algum regulamento local específico.

Materiais Utilizados na Proteção Térmica das Estruturas de Aço

A proteção térmica dos elementos estruturais de aço (proteção passiva) é o meio mais comum

de se proteger o aço contra o incêndio. Vários são os materiais utilizados com esta finalidade,

tais como as argamassas projetadas, tintas intumescentes, mantas cerâmicas ou de lã de

rocha basáltica, gesso acartonado e outros.

Materiais Projetados

São produtos econômicos que apresentam bom isolamento térmico às altas temperaturas,

mantendo a integridade da estrutura durante a evolução do incêndio.

Estes materiais são aplicados por jateamento e, após sua secagem, trabalham

monoliticamente com a estrutura, acompanhando seus movimentos, sem a ocorrência de

fissuras ou desprendimento.

Sua durabilidade deverá ser a mesma da estrutura, dispensando manutenção, e não

promovendo qualquer tipo de ataque corrosivo ao aço. Não são higroscópicos, tornando

desnecessário o uso de tintas de fundo ou outros sistemas de proteção contra a corrosão em

estruturas internas. Estruturas externas costumam receber proteção de um primer anticorrosivo

e uma ponte de aderência (resina acrilica de base água) com a argamassa, para que não haja

o desenvolvimento da corrosão sob a camada passiva.

Argamassa Projetada

São produtos com alto conteúdo de aglomerantes que, quando misturados com água, geram

uma massa fluida que pode ser bombeada. São apresentados como produtos de baixa, média

ou alta densidade, e são constituídos basicamente de gesso (aproximadamente 80% do peso

seco), cimento Portland (em materiais de média e alta densidade), resinas acrílicas e cargas

inertes, tais como poliestireno expandido, celulose e

preservantes.

Materiais de baixa densidade são aplicados, de modo

geral, em obras internas. Materiais de média

densidade são utilizados em obras internas com

requisitos de certa resistência ao impacto e à

umidade. Materiais de alta densidade são utilizados

em obras externas onde o risco de impacto é alto,

assim como a umidade.

Estes produtos, de modo geral, não necessitam, para

sua aplicação, da retirada da carepa de laminação e de alguma ferrugem formada. Antes da

projeção, faz-se uma limpeza manual, retirando-se o material solto sobre a superfície.

Para aplicações típicas em interiores, onde o aço será enclausurado em um ambiente

controlado, a utilização de um primer é, de modo geral, desnecessária. Exceções são as áreas

de alta umidade, como piscinas, lavanderias, cozinhas, etc.. Nestas, é recomendado o uso de

primers para a proteção contra a corrosão e, eventualmente, pode ser necessária a adoção de

uma ponte de aderência, que consiste de uma base acrílica solúvel em água. Aços não

pintados apresentam a melhor condição de aderência dos materiais, dispensando a utilização

de elementos de ancoragem, salvo peças de excessiva altura. Nestas, a utilização de algum

tipo de ancoragem mecânica pode ser necessária, como por exemplo, a utilização de telas de

fixação. As instruções contidas no UL Fire Resistance Directory [13] são apropriadas à escolha

do sistema de fixação, quando necessário.

Quando a temperatura ambiente atinge 90oC – 150

oC, as ligações químicas existentes no

gesso hidratado começam a se romper, liberando água de hidratação. A proteção se dá devido

a fatores também relacionados com a massa do produto e seu índice de vazios. Esta reação

absorve a energia do fogo, que seria conduzida ao aço. Este processo permite ao aço manter

uma temperatura relativamente baixa por 20 a 30 minutos durante a primeira hora crítica do

incêndio. A mesma consideração é aplicada para placas de gesso acartonado.

Fibra Projetada

São produtos de baixa e média densidades,

contendo basicamente fibras obtidas a partir de

rocha basáltica (ou escória de alto-forno) como

principal ingrediente. Estas fibras são misturadas

com escória de alto-forno (20 a 30% do peso seco

total) para criar uma mistura de baixa densidade.

A proteção à base de fibras utiliza as propriedades

isolantes da fibra para proteger o aço. Esta mistura

é projetada sobre a estrutura.

Argamassa Projetada à Base de Vermiculita

É produto de baixa densidade, composto basicamente de vermiculita expandida, cimento

Portland e aglomerados minerais. Este material deve ser completamente isento de amianto, e,

para melhorar sua aderência ao aço, costuma ser necessária a utilização de telas.

Placas de Gesso Acartonado

Placas de gesso contendo fibra de vidro,

e, em alguns casos, vermiculita

incorporada. Assim como a argamassa

“cimenticious”, o gesso da placa perde

moléculas de água de hidratação durante

o aquecimento, mantendo baixa a

temperatura do aço. Estes materiais tem,

internamente, uma malha de fibra de vidro,

que mantém o conjunto esruturado quando exposto às elevadas temperaturas do incêndio. A

placa é mantida, de modo geral, visível em estruturas, por motivos estéticos.

Placas de Lã de Rocha

São painéis de baixa densidade, rígidos ou

flexíveis, feitos de materiais fibrosos, aglomerados

pela adição de resinas termo-endurecíveis.

A matéria-prima básica utilizada na confecção das

placas é o basalto. São fixadas com pinos de aço

soldados à estrutura metálica.

Mantas Cerâmicas

Produtos formados a partir de fibras silico-aluminosas, presas à estrutura através da utilização

de pinos de aço soldados na estrutura.

Enclausuramento em

Concreto

Um outro método

empregado na proteção

do aço é o do

enclausuramento do

elemento metálico em

concreto. Este solução

proporciona proteção

ao aço frente à

corrosão e incêndio ao

mesmo tempo. Algum reforço é adicionado ao sistema, na forma de vergalhões, para manter o

concreto no local durante o evento do incêndio. Esta solução tem sido empregada no Japão,

mas, devido ao custo mais elevado do que outras formas de proteção, não é muito difundida.

Tintas Intumescentes

São tintas especiais que expandem a partir de 200oC,

formando uma espuma rígida que isolam eficientemente os

gases quentes gerados no incêndio do aço. Antes da

aplicação desta tinta especial, a superfície deverá ser

preparada conforme recomendações do fabricante, e um

primer compatível deverá ser aplicado. Como esta tinta não

apresenta grande resistência química e física, ela deve ser

recoberta por uma película acrílica ou poliuretânica, a

critério do usuário.

Esta tinta pode ser aplicada a pincel, rolo ou spray (airless),

e a aparência final do sistema (primer epoxídico, acrílico ou alquídico, tinta intumescente e tinta

de acabamento acrílica ou poliuretânica) é sempre muito boa.

As tintas intumescentes são compostas, de modo geral, de sais de fósforo, de amidos, de

melamina e resinas orgânicas.

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[1] Engenheiro de Assistência Técnica da Gerência de Desenvolvimento de Perfis Estruturais

da Aço Minas Gerais S.A. – AÇOMINAS.

[2] F.C.Rodrigues, C.M.D.Starling, G.F.Bernardes, I Congresso Internacional da Construção

Metálica (CICOM), São Paulo, SP, 2001. Contido nos Anais eletrônicos do evento.

[3] Steel Times, September 1993, p. 383.

[4] I .C.Neves. “Segurança contra incêndio em edifícios – Fundamentos”. Instituto Superior

Técnico, Depto. de Engenharia Civil (Lisboa), 1994, p. 557.

[5] J.M. Lleonart. Resistencia al Fuego de las Estructuras Metalicas y Caldereria, vol. 2, no.

819, p.13.

[6] R. Chijiiwa et al.. Nippon Steel Tech. Rep., no. 58, p.47 (1993).

[7] Steel Today & Tomorrow, no. 120, Oct-Dec 1992, p. 5.

[8] A.V.Faria et al. Metalurgia e Materiais (ABM), p.196 (1996).

[9] NBR 14323. “Dimensionamento de Estruturas de Aço de Edifícios em Situação de Incêndio

– Procedimento”. Rio de Janeiro, 1999.

[10] NBR 14432. “Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos de

Edificações – Procedimentos”. Rio de Janeiro, 2000.

[11] International Standardization for Organization. “Fire-resistance tests – Elements of Building

Construction”. ISO 834, Genève, 1994.

[12] Societé Suisse des Ingénieurs et dês Architectes (SAI). “Evaluation du Risque d’Incendie.

Méthode de Calcul”. Documentation No. 81, Zurich, 1999.

[13] UL Fire Resistance Directory, vol.1, p.2. Underwriters Laboratory Inc.(2001).