TRABALHO DE ESTRUTURAs METALICAS

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE
ANA CAROLINE LOPES
BERNARDO GUIMARÃES PINHEIRO
ISADORA MARTINEZ RIBEIRO DE OLIVEIRA
LUCAS MARCEL DE OLIVEIRA COUTO
MARCIO ANTÔNIO
MARIO CEZAR LACERDA SERRA
PRISCOLLE ANTÔNIO MOREIRA DE CARVALHO
RAFFAELA DE OLIVEIRA DIAS PAPA
SUDEMAR LOPES DE SOUZA
THAMIRES CONSOLI LEITE
INCÊNDIO EM ESTRUTURAS METÁLICAS
Comportamento do aço em incêndio e sua resistência
Belo Horizonte - MG
2018
ANA CAROLINE LOPES
BERNARDO GUIMARÃES PINHEIRO
ISADORA MARTINEZ RIBEIRO DE OLIVEIRA
LUCAS MARCEL DE OLIVEIRA COUTO
MARCIO ANTÔNIO
MARIO CEZAR LACERDA SERRA
PRISCOLLE ANTÔNIO MOREIRA DE CARVALHO
RAFFAELA DE OLIVEIRA DIAS PAPA
SUDEMAR LOPES DE SOUZA
THAMIRES CONSOLI LEITE
INCÊNDIO EM ESTRUTURAS METÁLICAS
Comportamento do aço em incêndio e sua resistência
Trabalho apresentado a Universidade Uni BH, como parte das exigências para aprovação na disciplina de Estruturas Metálicas.
Professora: Gisele Possato
Belo Horizonte, 17 de Abril, de 2018.
Belo Horizonte - MG
2018
1. INTRODUÇÃO
O uso do aço na construção civil vem crescendo cada vez mais no Brasil. Através das estruturas metálicas fundamentais em edifícios, este método construtivo vem chamando a atenção de arquitetos, engenheiros e principalmente do consumidor final já que estas oferecem vantagens como rapidez na execução e em função da elevada relação entre resistência e peso próprio possuem facilidade de vencer grandes vãos e grandes alturas o que proporciona ampla possibilidade de projetos e menos tempo de construção e menor custo, quando considerando valor total da obra. A estrutura metálica pode proporcionar a finalização de uma construção em um tempo hábil três vezes menor que o gasto normalmente em estruturas de concreto, menor tempo de locação de maquinário e consequentemente diminuição do orçamento. Segundo o professor da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) Ricardo Silveira, “Se você tem uma curva de resistência de determinada seção metálica, é possível ir ao limite do aço na execução do projeto”.
Ao se projetar um edifício com estrutura de aço, no entanto, deve-se também levar em conta o desempenho em caso de ocorrência de incêndio, pois, quando submetido a altas temperaturas, o aço, como ocorre com outros materiais estruturais, perde sua resistência e rigidez. 
As propriedades mecânicas do aço debilitam-se com o aumento de temperatura, o que pode ocasionar o colapso prematuro de um elemento estrutural ou ligação, causando inclusive perda de vidas humanas.
Em países desenvolvidos, a segurança dos usuários dessas estruturas é colocada em primeiro lugar. Pesquisas são desenvolvidas e existem normas que regulamentam o assunto em diversos aspectos: prevenção e extinção (controle) de incêndio, divisão dos compartimentos da edificação, saídas de emergências, dimensionamento de estruturas em situações de incêndio, incluindo a verificação e a necessidade da proteção da estrutura. 
No Brasil, a norma que dita as exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações é a NBR 14423: 2003. Esta norma define os critérios gerais que regem o dimensionamento em situação de incêndio das estruturas de aço e das estruturas mistas aço-concreto de edifícios. 
Com a industrialização dos processos, o tempo de construção se reduz drasticamente, o que justificaria o investimento na estrutura metálica. Você gastará um pouco mais com o aço, mas uma obra que poderia terminar entre seis meses a um ano, ficará pronta em 60 dias. (SILVEIRA, R. UFOP)
Este trabalho utilizou como metodologia a pesquisa bibliográfica onde consultaremos a norma ABNT NBR 14323:2003, mostrando a importância diante do comportamento do aço quando submetido a altas temperaturas. Para a realização da pesquisa foram realizadas consultas bibliografias, livros, artigos, normas, teses publicadas dentre outros meios a fim de reunirmos dados e informações referente ao tema. 
2. OBJETIVOS
A partir de pesquisas realizadas em livros, normas, artigos e teses publicadas este trabalho tem por objetivo abordar e analisar através de um referencial teórico o comportamento de estruturas metálicas, com ênfase no aço, sob condições de incêndio, tendo em vista a normalização nacional ABNT NBR 14323 e 14432:2003, com a finalidade de enriquecer o assunto proposto.
3. O AÇO
Um produto essencial nos dias atuais, o aço está presente em nosso cotidiano desde em grampos de cabelos a veículos e eletrodomésticos, isso sem contar na sua importância principalmente nas estruturas sejam elas de concreto armado ou metálicas (Fig. 1). 
O aço é uma liga metálica formada principalmente de ferro e carbono, possui maior aplicação que o próprio ferro e pode ser usado para produzir outras ligas. O ferro e o aço são aplicados em diversos materiais com que temos contato no cotidiano, uma de suas principais aplicações tem sido na construção civil, como no concreto armado, que é um concreto em estruturas de aço. Essa estrutura, além de diminuir o tempo da construção e o custo da obra com mais materiais que seriam gastos, também permite que sejam construídos vários andares, pois é o aço que fornece a resistência à tração ou à força perpendicular ao edifício, como a força dos ventos.
Versátil, seguro e 100% reciclado o aço é o material mais reutilizado no mundo, sem perder a sua qualidade, leveza e durabilidade. Isso representa uma significativa redução no uso de matérias-primas, menor impacto ambiental e produtos cada vez mais confiáveis (ARCELOR MITTAL,2018). 
Na sua composição química, quando resfriado, o carbono elemento predominante proporciona ao aço resistência mecânica, ou seja, melhora o limite de escoamento, o limite da resistência a tração e a dureza. Além de atribuir alta resistência ao choque, boa resistência à fadiga e ao desgaste (INFOMET, 2018). 
Figura1- Vigas de aço 
Fonte: http://casaserralheiro.com.br/loja/vigas/viga-w/
4. CARACTERICAS DO AÇO QUANDO EXPOSTO A ALTAS TEMPERATURAS
Segundo o (Eng. Carlos Freire 2009) apesar de sua robustez e benefícios de suportar elevadas cargas sobre os pilares e as vigas, o aço estrutural é um material que quando atacado por altas temperaturas perde sua resistência a partir dos 550° C. 
De modo geral o aço tem uma redução brusca do seu estado limite de escoamento a partir de 400°C e ao atingir temperaturas superiores a 800ºC, o aço mostra uma notável redução em sua resistência, e com temperaturas maiores, da ordem dos 1.000ºC, a resistência do aço é aproximadamente de apenas 25% da resistência à temperatura ambiente. Para os aços de protensão, o efeito do calor é mais crítico, uma vez que são trabalhados a frio. O aumento da temperatura acima de 740ºC elimina de forma irreversível suas propriedades mecânicas. (Engenheiro Ercio Thomaz - 2013)
5. PROTEÇÃO PASSIVA
Segundo Rogério Lin, diretor da CKC do Brasil em 20 minutos as estruturas os aços sem proteção passiva podem atingir a temperatura crítica, de 550º C impedindo a evacuação completa e o resgate em segurança dos ocupantes das edificações. Como dito anteriormente vale ressaltar que as estruturas metálicas quando expostas a altas temperaturas mostram fragilidades e deficiências que muitas vezes comprometem a sua resistência estrutural. 
As tecnologias de proteção passiva citada anteriormente têm como função isolar o fogo, a fumaça e gases quentes de um incêndio de grandes proporções. Elas limitam a propagação de chamas e a emissão excessiva de fumaça durante o incêndio, impedindo que as estruturas atinjam temperaturas críticas. 
6. MÉTODOS E MATÉRIAS UTILIZADOS NA PROTEÇÃO TÉRMICA DAS ESTRUTURAS DE AÇO
Segundo Engenheiro Ercio Thomaz do Centro de Tecnologia do Ambiente Construído (Cetac) a proteção térmica dos elementos estruturais de aço (proteção passiva) normalmente é feita com as argamassas projetadas, tintas intumescentes, mantas cerâmicas oude lã de rocha basáltica, gesso acartonado entre outros. O ideal é que sejam utilizados materiais de baixa densidade para evitar o carregamento das estruturas e subsequentemente a fundação da edificação. 
6.1 ARGAMASSA PROJETADA
A argamassa possui aparência rugosa, fabricada a partir de materiais fibrosos e derivados rochosos como a vermiculita. Ela e projetada sobre a estrutura metálica em espessuras que variam entre 1,5 a 2,5 cm. Conseguem protegem o substrato do calor por apresentarem baixa condutividade térmica. Em função de sua aparência rustica e fragilidade mecânica este material não é recomendado para estruturas expostas
Figura 2 - Perfil revestido com argamassa projetada. Volumoso e espumoso, a aparência rústica é a aparência final. 
Fonte - CKC do Brasil
6.2 REVESTIMENTO INTUMESCENTE
Material muito utilizado na Europa e EUA têm mesma aparência e acabamento das pinturas convencionais existentes no mercado, entretanto, quando empregado nas construções metálicas possui propriedades que permite a proteção contra o fogo por até 120 minutos. Ao entrar em contato com temperaturas superiores a 200º C, o revestimento intumescente se expande por múltiplas vezes o seu tamanho, protegendo o aço estrutural das temperaturas críticas de falência.
Figura 3 - Estrutura com Revestimento Intumescente
Fonte - CKC do Brasil
6.3 PLACAS DE SILICATO DE CÁLCIO
É um material gessado específico para estruturas metálicas, possuem formato de placas de 15mm, são cortadas uma a uma nas medidas requeridas e envolvidas nas estruturas metálicas seguindo as normas vigentes (Fig. 4). Em alguns casos é necessário vedar as juntas entre as placas com materiais anti-chama, para que a sua proteção seja efetiva em caso de incêndio. Por ocuparem espaços de áreas úteis e serem mais frágeis, não são recomendadas, por exemplo, em garagens ou áreas expostas a impactos mecânicos. O tempo de instalação também costuma ser maior, devido ao trabalho artesanal e de encaixe das placas.
Figura 4 - Perfil revestido com placas de silicato de cálcio. Moldagem e encaixe das placas deve ser minuciosamente checada.
Fonte - CKC do Brasil
7. OUTRAS TECNOLOGIAS
Segundo a CKC do Brasil além das citadas existem outras alternativas para a proteção estrutural que surgiram no mercado há algumas décadas. O envelopamento com mantas compostas por lãs minerais, vermiculita expandida, fibras cerâmicas entre outras que também resistentes ao fogo, além do desenvolvimento de estruturas metálicas produzidas com materiais e aditivos especiais, que permitiam maior resistência ao fogo.
8. NORMA 14323:2003 (explicar resumindo a norma, dando ênfase as partes mais importantes). Explicar a importância de se seguir uma norma e as consequências caso não haja fiscalização dos meios responsáveis.
9. TIPOS DE INCÊNDIO EM ESTRUTURAS METÁLICAS 
A ação térmica na estrutura descrita por meio de fluxo de calor, é transmitido por radiação e convecção, provocado pela diferença entre temperatura entre os gases quentes do ambiente em chamas e os componentes da estrutura, fazendo com que as mesmas entrem em colapso. Os aumentos da temperatura nos elementos causam redução da resistência, redução do modo de elasticidade e aparecimento de esforços solicitantes adicionais (PIGNATTA, V. E S. ,1997).
A principal característica de um incêndio, no que abrange o estudo das estruturas é a curva que fornece a temperatura dos gases em função ao tempo de incêndio (Fig. 5), visto que a partir dessa curva é possível calcular a máxima temperatura atingida pelas peças estruturais e a sua correspondente capacidade resistente à alta temperatura (PIGNATTA, V. E S. ,1997). 
Figura 5- Curva do modelo de incêndio.
Fonte: http://decidircomsiad.blogspot.com.br/2007/10/funes-matemticas-aplicadas-indicadores.html
Essa curva apresenta uma região inicial com baixas temperaturas, em que o incêndio é considerado de pequenas proporções, sem riscos à vida humana ou à estrutura.
O instante em que se dá o aumento brusco da inclinação da curva é conhecido como “flashover” ou instante da inflamação generalizada e ocorre quando a superfície de toda a carga combustível presente no ambiente entra em ignição, o incêndio torna-se de grandes proporções tomando todo o compartimento e a temperatura dos gases aumenta rapidamente até todo material combustível extinguir-se, a partir daí, há a redução gradativa da temperatura dos gases. (PIGNATTA, V. E S. ,1997) 
9.1 TIPOS DE INCÊNDIO
9.1.1 INCÊNDIO PADRÃO
Denomina-se incêndio-padrão, o modelo de incêndio para o qual se admite que a temperatura dos gases do ambiente em chamas respeite as curvas padronizadas para ensaio (Fig. 6). A característica principal dessa família de curvas é a de possuir apenas um ramo ascendente, admitindo, portanto, que a temperatura dos gases é sempre crescente com o tempo e além disso independente das características do ambiente e da quantidade de material combustível. (PIGNATTA, V. E S. ,1997)
Figura 6- Curva de incêndio padrão. 
Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/1223076/
9.1.2 INCÊNDIO NATURAL
Denomina-se incêndio natural, o modelo de incêndio para o qual se admite que a temperatura dos gases respeite às curvas temperatura-tempo naturais, construídas a partir de ensaios (ou modelos matemáticos aferidos a ensaios) de incêndios que simulam a real situação de um compartimento em chamas (Fig.7). Os ensaios são realizados em compartimentos, com aberturas (janelas), nos quais o incêndio ocorre sem a possibilidade de se propagar para fora dele, devido às características de isolamento térmico, estanqueidade e estabilidade dos elementos de vedação. Esse modelo de incêndio também é conhecido como incêndio natural compartimentado (PIGNATTA, V. E S. ,1997).
 
Figura 7- Diagrama Incêndio natural
Fonte: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0370-44672005000200009
10. DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA NA ESTRUTURA
Para se determinar a que temperatura a estrutura está sendo submetida, levamos em consideração três fatores: elemento estrutural totalmente imerso no ambiente em chamas, distribuição uniforme da temperatura no elemento estrutural e fluxo de calor no elemento estrutural e no material de revestimento contra fogo (PIGNATTA, V. E S. ,1997).
10.1 ESTRUTURA SEM REVESTIMENTO CONTRA FOGO
A diferença de temperatura entre as chamas de um incêndio e os elementos estruturais gera um fluxo de calor que, via radiação e convecção, transfere-se para a estrutura provocando aumento de temperatura.O acréscimo de temperatura na peça estrutural é determinado considerando-se o equilíbrio térmico envolvendo o calor emitido pelo fogo e o calor absorvido pela peça de aço (PIGNATTA, V. E S. ,1997).
10.2 ESTRUTURA COM REVESTIMENTO CONTRA FOGO
Para a determinação da temperatura em uma peça estrutural revestida por material contra fogo, deve-se considerar o equilíbrio térmico envolvendo: o calor emitido pelos gases quentes, a absorção de calor pelo material de revestimento e a absorção de calor pelo elemento estrutural. O calor é transferido por condução através do material de revestimento. A condução é o processo pelo qual o calor flui de uma região à alta temperatura para outra à temperatura mais baixa dentro de um mesmo corpo (PIGNATTA, V. E S. ,1997).
13. CONCLUSÃO (o que nós como engenheiros concluímos com o aprofundamento de estudos na norma , sua importância.
14. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. "Aço"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/aco.htm>. Acesso em 10 de abril de 2018
THOMAZ.E. “Artigos Técnicos” Techne. Disponível em <http://techne17.pini.com.br/engenharia-civil/199/artigo299955-1.aspx>. Acesso em 10 de abril de 2018
CKC do Brasil "Materiais contra incêndio" CKC Disponível em <http://www.ckc.com.br/component/k2/36.html >. Acesso em 10 de abril de 2018
 FREIRE.C. Construção Civil. Portal Metalicas Disponível <http://www.metalica.com.br/pg_dinamica/bin/pg_dinamica.php?id_pag=1085 >.Acesso em 10 de abril de 2018
CICHINELLI.G. Estruturas de aço; AÇO Brasil. Disponível em <http://www.cbca-acobrasil.org.br/noticias-detalhes.php?cod=7227 Acesso em 10 de abril de 2018
ARCELOR MITTAL. Aço, tecido da vida. Disponível em: <http://brasil.arcelormittal.com.br/produtos/aco-tecido-vida> Acesso em 14 de abril de 2018. 
FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. Aço Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/aco.htm>. Acesso em 10 de abril de 2018
FONSECA, R. Benefícios das estruturas metálicas na construlção civil-Minas faz escola. Disponível em: <http://minasfazciencia.com.brbeneficios-das-estruturas-metalicas-na-construcao-civil/> Acesso em 14 de abril de 2018. 
INFOMET. Propriedades Mecânicas dos aços-carbono. Disponível em:<http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=6> Acesso em: 14 de abril de 2018
PIGNATTA, V. E S. Estruturas de aço em situaçõa de incendio. Disponível em: <https://www.researchgate.net/profile/Valdir_Silva/publication/270393280_ESTRUTURAS_DE_ACO_EM_SITUACAO_DE_INCENDIO/links/54a92c310cf257a6360c1a7f/ESTRUTURAS-DE-ACO-EM-SITUACAO-DE-INCENDIO.pdf> Acesso em: 14 de abril de 2018.