SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Autor: Teodorio Arão Santos de Oliveira

Engenheiro de Segurança contra Incêndio e Pânico

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Uma edificação é formada por elementos construtivos. Elementos estruturais, vedações e revestimentos são alguns deles. As paredes (tijolos, blocos, painéis, etc.) têm a função de vedar o ambiente para protegê-lo contra chuvas, insolação, ventos, etc. Os elementos estruturais são destinados a manter a construção em pé sob a ação das forças que atuam sobre ela. Os elementos verticais (pilares), os horizontais (vigas) e os planos (lajes) são os responsáveis por suportar as ações da gravidade e do vento e transferi-las às fundações.

As lajes recebem grande parte das forças de origem gravitacional, ou seja, peso próprio da própria laje, mobiliário, pessoas etc., e as transmitem às vigas. As vigas recebem as forças provenientes das lajes somadas a eventuais pesos próprios de paredes e as transmitem aos pilares. Os pilares, além das forças provenientes das vigas, podem receber forças horizontais decorrentes da ação dos ventos e as transferem aos blocos de fundação, que, finalmente, descarregam no solo, conforme visto na Figura 1.

As lajes, comumente, são feitas de concreto armado, enquanto as vigas e pilares são feitas ou de concreto armado ou de perfis de aço. A madeira e a alvenaria estrutural também podem ser usadas como elementos estruturais.

A resistência do material da estrutura é o principal parâmetro que caracteriza o material e, portanto, fundamental para o dimensionamento. À temperatura ambiente, esse valor é encontrado a partir de ensaios dos materiais. Há determinados tipos de materiais, pelo seu constante uso, que o valor da resistência já é conhecido, necessitando apenas de uma certificação, no caso de perfis de aço e de ensaios comprobatórios do valor adotado, no caso do concreto.

No caso de incêndio, a resistência dos materiais é reduzida decorrente do aquecimento. Uma determinada resistência calculada para uma determinada estrutura, em um incêndio pode ser bastante reduzida, a depender da severidade do incêndio. A redução de alguns materiais pode ser vistas na Figura 2 e do módulo de elasticidade na Figura 3.

Em vista desse fenômeno, há exigências dos Corpos de Bombeiros e de norma brasileira para que a estrutura seja dimensionada também para a situação de incêndio em função de um tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF). O TRRF é o tempo suficiente para possibilitar a saída segura das pessoas e o acesso para as operações do Corpo de Bombeiros em uma situação de incêndio. O valor do TRRF está relacionado com a ocupação/uso e altura da edificação e pode ser visto na Figura 4.

Há séculos se sabe que o aço sofre redução de resistência com o aumento da temperatura sofre redução de resistência com o aumento de temperatura. O início dos estudos científicos pertinentes nasceu com as novas técnicas de produção advindas da criação da máquina a vapor. A revolução industrial começou há cerca de dois séculos nas tecelagens inglesas. Todo o maquinário era instalado tão próximo quanto possível da máquina a vapor.

A combinação de grandes edifícios completamente construídos em madeira, fibras têxteis depositadas por toda parte (inclusive em suspensão, no ar) e pisos de madeira encharcados de óleo com buchas e rolamentos superaquecidos e chamas desprotegidas utilizadas para aquecimento da máquina e para iluminação do ambiente levou a uma série de terríveis incêndios no passado.

Em resposta, o Eng. Charles Bage, criou, em 1976, o chamado “edifício a prova de incêndios”, utilizando-se ferro fundido no lugar das vigas e pilares de madeira, utilizando arcos de tijolos não combustíveis como piso, conforme visto na Figura 5.

O desenvolvimento de novas formas construtivas continuou nos anos seguintes. O primeiro edifício estruturado de ferro fundido dos Estados Unidos foi o edifício da “The Home Insurance Company”, em Chicago. Esse edifício, concluído em 1885, já utilizava em suas lajes perfis metálicos imersos em concreto e blocos cerâmicos para sua proteção contra fogo, conforme visto na Figura 6.

No século XIX, quando os edifícios de múltiplos andares de aço começaram a ser construídos, o concreto era utilizado como material de revestimento do aço, sem função estrutural, mas, com grandes espessuras, elemento estrutural, trabalhando em conjunto com o aço para resistir a esforços, inicialmente na função de piso. Ensaios para demonstrar o comportamento do concreto em altas temperaturas evidenciavam que havia redução de resistência, mas, não era preocupante, em vista do uso para lajes de pequenos vãos. Mais tarde, iniciou-se a construção de edifícios de múltiplos andares de concreto armado.

Hoje, se reconhece que a capacidade resistente do concreto, do aço, das estruturas mistas, da madeira, da alvenaria estrutural e do alumínio em situação de incêndio é reduzida em vista da degeneração das propriedades mecânicas dos materiais (Figuras 2 e 3) ou da redução da área resistente. Apesar de a redução das propriedades mecânicas do concreto e da madeira ser mais acentuada, em função da temperatura, do que a do aço, deve-se lembrar de que a temperatura média atingida por um elemento isolado de aço em incêndio é geralmente maior do que a dos outros dois materiais.

O aço e o alumínio têm resistência e módulo de elasticidade reduzidos (Figuras 2 e 3) quando submetidos a altas temperaturas. O concreto, além da redução da resistência, pode perder área resistente devido ao “spalling”.

O “spalling” é um lascamento da superfície do elemento de concreto submetido a um incêndio, devido a pressão interna da água ao evaporar-se e ao comportamento diferencial dos materiais componentes do concreto. Em concretos de alta resistência, a depender da idade/teor de água do concreto, pode ocorrer o “spalling” explosivo, pela maior dificuldade de percolação da água. Esse fenômeno reduz a área resistente do concreto e expõem a armadura ao fogo, conforme visto na Figura 7.

Já os elementos de madeira sofrem carbonização na superfície exposta ao fogo, reduzindo a área resistente (Figura 8) e realimentando o incêndio. A região central recebe proteção proporcionada pela camada carbonizada, atingindo baixas temperaturas. Nas Figuras 2 e 3 apresentaram-se a redução de resistência e do módulo de elasticidade paralela à grã para espécies de madeiras coníferas.

Além da resistência ao escoamento e módulo de elasticidade, outras propriedades dos materiais são afetadas pela temperatura. A condutividade térmica, calor específico, coeficiente de dilatação térmica dos materiais são exemplos das propriedades alteradas.

O aumento da temperatura dos elementos estruturais, em incêndio, deve-se ao fluxo de calor (ação térmica), por convecção e por radiação, provocado pela diferença de temperatura entre os gases quentes do ambiente em chamas e os componentes da estrutura.

Convecção é o processo pelo qual o calor flui, envolvendo movimentação de mistura de fluido, principalmente entre sólidos e fluidos. Decorrente da diferença de densidades entre os gases com diferentes temperaturas no ambiente em chamas, eles se movimentam e atingem os elementos construtivos transferindo-lhes calor, conforme visto na Figura 9.

Radiação é o processo pelo qual o calor flui na forma de propagação de ondas de um corpo em alta temperatura para outro em temperatura mais baixa. Ao aproximar-se a mão de uma lâmpada, sente-se calor, mesmo no vácuo, em virtude do fluxo radiante, conforme visto na Figura 10. Em um compartimento, a radiação é proveniente dos gases quentes, das chamas e das paredes aquecidas.

A superfície aquecida do elemento estrutural gera um fluxo de calor na direção do interior do elemento, aquecendo-o. A essa última forma de transferência de calor denomina-se condução.

Condução é o processo pelo qual o calor se transfere no interior dos sólidos decorrente da movimentação e choques das moléculas que constituem os sólidos. Os elementos estruturais ao serem aquecidos em alguma região transferem calor para as demais regiões por condução. Se o incêndio fosse de duração extremamente longa e de temperatura constante, todas as regiões das estruturas atingiriam a mesma temperatura do incêndio. Felizmente não é o que ocorre.

O fluxo de calor radiante e convectivo atua 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, conforme visto na Figura 11.

O aquecimento devido ao incêndio tem um tempo relativamente curto (minutos) de ação nas estruturas e a temperatura é variável no tempo, após o aquecimento há o resfriamento do compartimento.

O incêndio pode ser caracterizado por uma curva que fornece a temperatura dos gases em função ao tempo de incêndio, conforme visto na Figuras 12.a e 12.b. 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 da inclinação da curva temperatura-tempo é conhecido como “flashover” (incêndio generalizado) e ocorre quando toda a carga de 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.

Figura 12 – Curva temperatura-tempo: real (a) e real (simplificada) (b)/Fonte: Instituto Sprinklers

A curva real é de difícil determinação. Ela é, usualmente, substituída por curvas temperatura-tempo naturais (Figura 13.a), em que o cenário é modelado de forma simplificada. Um modelo simplificado para construção dessas curvas é denominada curva paramétrica a partir de três parâmetros: carga de incêndio, grau de ventilação (em função das dimensões das janelas por onde entra o oxigênio) e das propriedades físico-térmicas (condutividade, calor específico, densidade) dos elementos de compartimentação (paredes e lajes). Para esse modelo admite-se que a temperatura é uniforme no compartimento. Essa hipótese tem por base o regime turbulento de um incêndio, conforme visto na Figura 13.b. Modelos mais precisos podem ser obtidos empregando-se programas de computador de modelagem de incêndio, nos quais se pode considerar uma distribuição mais realística de temperaturas do compartimento (field model/CFD).

Figura 13 – Modelo de incêndio: natural (curva paramétrica) (a) e turbulência dos gases em um incêndio (b)

Tendo em vista que a curva temperatura-tempo de um incêndio se altera, para cada situação estudada, convencionou-se adotar uma curva padronizada, conforme visto na Figura 14, como modelo para a análise 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 em projetos. Esse modelo é conhecido como modelo de incêndio-padrão.

A curva padronizada mais difundida internacionalmente é a recomendada pela ABNT ISO 834, conforme Equação 01.

Equação 01

Onde:

t = tempo (minutos)

θg = temperatura dos gases quentes (graus Celsius)

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. Trata-se apenas de um modelo para simplificação de projetos e especificações. Para seu emprego há necessidade de se utilizar artifícios, tal qual o TRRF (tempo requerido de resistência ao fogo).

Resistência ao fogo é a propriedade de um elemento construtivo de resistir à ação do fogo, mantendo a segurança estrutural, isolamento e estanqueidade. Por exemplo, as características que uma laje deve ter para ser considerada resistente ao fogo, conforme visto na Figura 15.

A resistência ao fogo é medida pelo tempo que o elemento suporta a ação de elevação padronizada de temperatura, conforme visto na Figura 14. Note-se que diferentemente do t_máx, indicado na Figura 12.b, o tempo que mede a resistência ao fogo não é o tempo real. Trata-se de um tempo fictício que simplifica o projeto de estruturas em situação de incêndio.

As estruturas devem ser calculadas de forma a possuir uma resistência ao fogo mínima. Essa resistência ao fogo mínima é denominada de tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF).

Os tempos requeridos de resistência ao fogo (TRRF) dos elementos construtivos de uma edificação são fornecidos pelas Instruções Técnicas dos Corpos de Bombeiros de cada Estado ou, na ausência delas, pela ABNT NBR 14432 – Exigências de resistência ao fogo dos elementos construtivos das edificações.

O risco de um incêndio pode ser entendido como o perigo da ocorrência de um incêndio que depende da ocupação do edifício ou compartimento, associado às suas consequências. Assim, geralmente, os TRRF são definidos em função do uso (perigo de incêndio) e da altura (relacionada à conseqüência do incêndio) da edificação, conforme visto na Figura 4.

As estruturas devem ser dimensionadas na situação de incêndio para um “tempo” de resistência ao fogo igual ou maior que o TRRF.

Volta-se a ressaltar que o TRRF, apesar de ter unidade de tempo, não é tempo real. Não é tempo de duração do incêndio, ou o de desocupação de uma edificação ou o tempo que o Corpo de Bombeiros demora em chegar ao sinistro. É apenas um “tempo” preestabelecido para ser utilizado juntamente com a curva de elevação de temperatura de um incêndio-padrão, conforme visto na Figura 14, que também não é uma curva real de incêndio.

O TRRF não é um valor calculado e sim adotado em consenso pela sociedade. Ele tem um valor elevado, a fim de que a temperatura associada a ele via curva padronizada, tenha pouca probabilidade de ser atingida durante a vida útil da edificação. Objetiva-se que, se o projeto de estruturas respeitar o par “TRRF-curva padronizada”, a estrutura não colapsará ao longo de sua vida útil.

A compartimentação de uma edificação é um dos principais meios de segurança contra incêndio. Pode ser de dois tipos: horizontal e vertical.

A compartimentação horizontal visa impedir a propagação de incêndio no pavimento de origem para outros no plano horizontal. Esse tipo de compartimentação deve restringir áreas do compartimento com os seguintes elementos construtivos:

• Paredes divisórias corta-fogo para subdivisão de grandes áreas de pavimento, do piso ao teto e à cobertura;

• Portas corta-fogo, nas aberturas das paredes corta-fogo destinadas à circulação de pessoas e de equipamentos;

• Registros corta-fogo, nos dutos de ventilação, dutos de exaustão, entre outros, que transpassam as paredes corta-fogo;

• Selos corta-fogo, nas passagens de cabos elétricos e tubulações por paredes corta-fogo.

A compartimentação vertical é aquela que impede a propagação vertical de gases ou calor de um pavimento para o imediatamente superior. É uma das medidas mais eficientes para a segurança contra incêndio. Ela é também essencial no cálculo das estruturas de incêndio.

A compartimentação inclui:

• Fachada com parapeito-verga ou marquise/aba, construídos por material incombustível, com dimensões mínimas, a fim de evitar que o fogo que se propaga para fora da edificação retorne ao pavimento superior e o ignize;

• Enclausuramento de escadas de emergência por intermédio de paredes e portas corta-fogo (PCF) que devem respeitar o tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) da estrutura da edificação com um mínimo de 120 min (IT 08);

• Lajes com espessura mínima de forma a respeitar isolamento e estanqueidade, ou seja, evitar que o calor se transfira através da espessura de laje e o pavimento superior se ignize;

• Selagem (firestops) para vedar toda e qualquer ligação vertical entre pavimentos, tais como passagem de tubulações, dutos, shafts etc.

A compartimentação vertical em edifícios de múltiplos pisos é fundamental para o dimensionamento das estruturas, pois é uma das hipóteses da formulação normatizada.

O projeto de arquitetura deve assegurar a perfeita compartimentação vertical a fim de não prejudicar o projeto de estruturas. Além disso, deve também se assegurar da distância mínima que a fachada deve distar de fachadas vizinhas.

Uma vez iniciado o incêndio em um compartimento deve-se evitar que ele se propague para outros.

Compartimento é a edificação ou parte dela, compreendendo um ou mais cômodos, espaços ou pavimentos, construídos para evitar a propagação do incêndio de dentro para fora de seus limites, incluindo a propagação entre edifícios adjacentes, quando aplicável.

Elementos de compartimentação são os elementos construtivos que vedam o compartimento e devem possuir, simultaneamente, capacidade de isolamento térmico, estanqueidade e serem seguros estruturalmente por um determinado tempo (TRRF).

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

• Autoproteção: o elemento estrutural isolado, sem revestimento contra fogo, é dimensionado para resistir às altas temperaturas de um incêndio. Geralmente, essa é a maneira mais adequada aos elementos de concreto e madeira.

• Barreiras antitérmicas: o elemento é protegido com materiais de revestimento contra fogo. As espessuras desses materiais são calculadas por meio analítico ou experimental. Geralmente, essa maneira é a mais adequada para elementos metálicos e, por vezes, para madeira.

• Integração a outros elementos construtivos, constituindo as estruturas mistas ou estruturas integradas.

Para o dimensionamento preciso de uma estrutura (com ou sem revestimento contra fogo), é necessário conhecer o campo de temperaturas a que ela está submetida, a fim de se determinar os esforços resistentes. A segurança em incêndio estará verificada se os esforços resistentes forem maiores ou iguais aos esforços solicitantes correspondentes. Dessa forma, o dimensionamento é composto de duas fases. A análise térmica e o dimensionamento propriamente dito. Alternativas simplificadas, analíticas ou tabulares, são geralmente apresentadas em normas. São métodos fáceis de serem aplicados, mas, nem sempre os mais econômicos.

A segurança das estruturas de concreto é obtida por meio de dimensionamento adequado (autoproteção), conforme a ABNT NBR 15200. O mais simples dos métodos apresentados pela norma brasileira é o método tabular.

Nesse método, admite-se que a segurança no TRRF é verificada, bastando atender às dimensões mínimas apresentadas em tabelas em função do tipo de elemento estrutural e do TRRF. Essas dimensões mínimas são normalmente: a espessura das lajes, a largura das vigas, as dimensões das seções transversais de pilares e a distância entre o eixo (centro de gravidade) da armadura longitudinal e a face do concreto exposta ao fogo.

Ressalte-se que a temperatura na armadura não é função apenas do cobrimento, mas do par largura mínima e distância do centro de gravidade. A temperatura no interior da seção de concreto varia conforme suas dimensões e a temperatura da armadura é a igual à do concreto que a envolve. Uma armadura com a mesma distância do centro de gravidade, mas em elementos de concreto de diferentes dimensões terão temperaturas diferentes, conforme visto na Figura 16.

A segurança das estruturas de aço em situação de incêndio pode ser obtida por meio de autoproteção, barreiras antitérmicas ou integração. Para cada um desses meios, a verificação pode ser realizada da mesma forma que para o concreto, por meio de métodos tabulares (geralmente com base experimental), métodos simplificados ou gerais de cálculo e análise experimental.

O elemento isolado pode prescindir de revestimento contra fogo, se for dimensionado de forma a respeitar o TRRF da edificação. A ABNT NBR 14323 indica métodos analíticos simplificados para o dimensionamento de elementos isolados de aço, ou seja, sujeito à temperatura uniformemente distribuída no volume. Para elementos isolados, esses métodos são bastante precisos. No entanto, salvo raros casos (contraventamentos, por exemplo), essa é a maneira menos econômica para solucionar o problema. Revestir com material contra fogo é, geralmente, mais econômico.

A ABNT NBR 14323 indica métodos analíticos simplificados para o dimensionamento de elementos isolados de aço ou adaptações para algumas situações de temperatura não uniforme. A espessura do revestimento pode ser calculada por meio desses mesmos métodos, desde que se conheçam suas características físicas e térmicas (densidade, calor específico e condutividade térmica). Os métodos não se aplicam a revestimentos intumescentes.

O mais comum, no entanto, é o uso direto de resultados de ensaios por meio das chamadas cartas de cobertura, que associam TRRF, espessura do revestimento e fator de massividade, conforme visto na Figura 17. Os valores indicados na carta de cobertura são função dos limites do ensaio, assumidos pelo Laboratório em que o ensaio é feito. No Brasil, o IPT assume uma temperatura crítica de ensaio. No exterior, em fornos mais apropriados à análise de resistência ao fogo, podem ser empregados outros limites mais realísticos, portanto favoráveis à economia, por exemplo, de deslocamentos limites, como é o caso dos ensaios do UL (Underwriters Laboratory de Chicago).

Fator de massividade é uma característica geométrica, calculada pela relação entre a área lateral exposta ao fogo e o correspondente volume (em perfis prismáticos, com iguais condições de aquecimento em todo comprimento, simplifica-se para a relação entre o perímetro (m) exposto ao fogo e a área (m²) da secção do perfil). A unidade é m-1. Quanto maior o valor desse fator, mais esbelta termicamente será a peça estrutural e, portanto, atingirá temperaturas mais altas em um determinado período de tempo em relação a uma peça com maior massividade.

Na construção civil, em especial em edifícios, é comum encontrarmos elementos de aço em contato com elementos robustos (lajes e alvenarias), constituindo-se as estruturas mistas ou estruturas integradas. As estruturas mistas de aço e de concreto são aquelas em que ambos os 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 (Figura 18). As estruturas integradas são aquelas em que o aço, a altas temperaturas, transfere calor para o concreto ou para alvenaria, sem, no entanto, haver solidariedade estrutural (Figura 19.a e 19.b).

Figura 19 – Estrutura integrada: vigas sob laje, com parede abaixo (a) e pilar entre alvenarias (b)/Fonte: Instituto Sprinklers

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 14323: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios em situação de incêndio. Rio de Janeiro: ABNT, 2013.

___NBR 14432: Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos das edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 2001.

___NBR 15200: Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio. Rio de Janeiro: ABNT, 2012.

___NBR ISO 834-10: Fire-resistance tests – Elements of building construction – Part 10: Specific requirements to determine the contribution of applied fire protection materials to structural steel elements. Rio de Janeiro: ABNT, 2014.

___NBR ISO 834-11: Fire-resistance tests – Elements of building construction – Part 11: Specific requirements for the assessment of fire protection to structural steel elements. Rio de Janeiro: ABNT, 2014.

SÃO PAULO, Corpo de Bombeiros, Instrução Técnica nº 07: Separação entre edificações (isolamento de risco), 2019

__Instrução Técnica nº 08: Resistência ao fogo dos elementos de construção, 2019.

___Instrução Técnica nº 09: Compartimentação horizontal e vertical, 2019.

SPRINKLERS, Instituto. Fundamentos de Segurança contra Incêndio em Edificações – Proteção Passiva e Ativa, Segurança das estruturas em situação de incêndio, Valdir Pignatta Silva, 43-57, São Paulo, 2019.