Proteção passiva de estruturas
metálicas em situação de
incêndio – a importância do
conhecimento da temperatura
crítica
Paulo Vila Real
Sumário
Introdução
Noções básicas
Exemplo de aplicação
Cálculo ao Fogo de
Estruturas de Aço. Porquê?
A capacidade resistente do aço e a sua rigidez
diminuem drasticamente com a temperatura.
A grande condutividade térmica do aço faz com
que a temperatura se propague rapidamente.
Os elementos estruturais em aço têm em geral
secções transversais muito esbeltas.
A capacidade
resistente do aço
diminui a partir de 100-
200 ºC.
Apenas 23% da
capacidade resistente
do aço permanece a
700 ºC.
A 800 ºC aquela
capacidade reduz-se a
11% e a 900 °C a 6%.
O aço funde a
1500°C. Extensão (%)0.5 1.0 1.5 2.0
Tensão (N/mm2)
0
300
250
200
150
100
50
20°C
200°C300°C
400°C
500°C
600°C
700°C
800°C
47%
Cálculo ao Fogo de
Estruturas de Aço. Porquê?
Cálculo ao Fogo de
Estruturas de Aço. Porquê?
0 300 600 900 1200
100
80
60
40
20
% do valor a 20 ºC
Temperatura (°C)
Tensão de cedência
Módulo de
elasticidade
• Redução da tensão
de cedência e do
módulo de
elasticidade dos
aços estruturais
S235, S275, 355,
S420 e S460.
Cálculo ao Fogo de
Estruturas de Aço. Porquê?
A capacidade resistente do aço e a sua rigidez
diminuem drasticamente com a temperatura.
A grande condutividade térmica do aço faz com
que a temperatura se propague rapidamente.
Os elementos estruturais em aço têm em geral
secções transversais muito esbeltas.
AÇO (IPE 300) BETÃO (30x30 cm2)
DT = 22 ºC DT = 794 ºC
30 minutos de exposição ao incêndio padrão ISO 834
Cálculo ao Fogo de
Estruturas de Aço. Porquê?
1. Regulamentação Nacional de Segurança contra Incêndios em Edifícios (SCIE).
2. Normas de cálculo da resistência ao fogo – os EUROCÓDIGOS ESTRUTURAIS.
Dois tipos de regulamentação e normas de cálculo
Regulamentação
Regime Jurídico de Segurança contra Incêndio em Edifícios (Decreto
Lei nº 220/2008)
Decreto-Lei n.º 224/2015 - primeira alteração ao Decreto -Lei n.º
220/2008, de 12 de novembro, que aprova o regime jurídico da
segurança contra incêndio em edifícios
Regulamento Técnico de Segurança contra Incêndio em Edifícios
(Portaria n.º 1532/2008)
Critérios técnicos para determinação da densidade de carga de
incêndio modificada (Despacho n.º 2074/2009)
Regulamentação Nacional de Segurança contra Incêndios em
Edifícios (SCIE)
Regulamentação Nacional
Os EUROCÓDIGOS ESTRUTURAIS
Para verificação da resistência ao fogo das estruturas
Normas Europeias
EN 1990 Bases para o projeto de estruturas (2009)
EN 1991-1-2 Ações em estruturas expostas ao fogo (2010)
EN 1993-1-2 Verificação da resistência ao fogo de estruturas de metálicas (2010)
1. Definir o tipo de incêndio - EC1
2. Definir as cargas em situação de incêndio - EC0 +EC1
3. Calcular a temperatura na estrutura - EC3
4. Calcular o comportamento mecânico - EC3
Cálculo Estrutural ao FogoQuatro etapas
Ações Térmicas
Abordagem Prescritiva
(Ações térmicas dadas por
incêndios nominais)
Abordagem baseada nodesempenho
(Ações térmicas baseadas na Física)
Métodos de Cálculo
t
q
t
q
Incêndio nominal. Ex:
Incêndio padrão ISO 834
Incêndio natural
Cálculo Estrutural ao Fogo
Quatro etapas
1. Definir o tipo de incêndio - EC1
2. Definir as cargas em situação de incêndio - EC0 +EC1
3. Calcular a temperatura na estrutura - EC3
4. Calcular o comportamento mecânico - EC3
• À temperatura ambiente (20 ºC)
1. O fogo deve ser considerado como uma acção de acidente.
2. A ocorrência simultânea de outras acções de acidenteindependentes não necessita ser considerada.
1.0 x carga permanente
1 x acção variável de base (valores frequentes)
2 x outras acções variáveis (valores quase permanentes)
Ad – valor de cálculo das acções indirectas de incêndio.
O EC3 permite desprezar o efeito da dilatação térmica.
• Em situação de incêndio
Regras de combinação para
as ações mecânicas
1
,,01,1,1,1
,,i
ikiQkQj
jkjGQQG
di
ikikj
kAQQG
1,,21,1,21,1
11,
)ou(
(Recomendado no Anexo Nacional)
Cálculo Estrutural ao Fogo
Quatro etapas
1. Definir o tipo de incêndio - EC1
2. Definir as cargas em situação de incêndio - EC0 +EC1
3. Calcular a temperatura na estrutura - EC3
4. Calcular o comportamento mecânico - EC3
Fator de massividade Am/V
Perfis metálicos não protegidos
h
b
thc
VAk d,net
aa
msht.a D
qD
perimetro
Área s/r
Perimetro exposto
Área s/r
2(b+h)
Área s/r
Tababela para determinação
da temperatura
Perfis metálicos não protegidos
Temperature of unprotected steel in ºC, exposed to the ISO 834 fire curve
for different values of V
Ak m
sh , 1m (continued)
Time
[min.]
10
m-1
15
m-1
20
m-1
25
m-1
30
m-1
40
m-1
60
m-1
100
m-1
200
m-1
300
m-1
400
m-1
51 468 600 688 732 750 825 894 911 917 918 919
52 477 610 697 734 757 835 899 915 920 921 922
53 487 620 704 736 765 845 904 918 923 924 925
54 496 629 711 739 774 854 908 921 926 927 928
55 505 638 718 743 784 863 913 924 928 930 930
56 514 648 723 747 794 872 917 927 931 932 933
57 523 656 728 753 804 880 920 930 934 935 936
58 532 665 731 760 814 887 924 933 937 938 938
59 541 673 734 768 825 894 927 935 939 940 941
60 549 681 736 777 834 901 931 938 942 943 944
Nomograma para temp. em
perfis metálicos não protegidos
Nomograma para temperaturas em perfis metálicos não protegidos
Sujeitos à curva ISO 834, Para diferentes valores de ksh ∙ Am/V [m-1]
18
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tem
pera
ture
[ºC
]
Time [min.]
400 m-1
300 m-1
200 m-1
100 m-1
60 m-1
40 m-1
30 m-1
25 m-1
20 m-1
15 m-1
10 m-1
q
Aumento da temperatura em
perfis metálicos protegidos
Equação simplificada do EC3
V
Ad
c
c pp
aa
pp
• A quantidade de calor
armazenada na proteção é
t.g/
t.at.gp
aa
ppt.a et
/V
A
c
d/qDDqq
qD 1
31
1 10
• O aumento da temperatura do aço
no intervalo de tempo Dt
Temperatur
a do aço
Aço
Proteção
Temperatura
do incêndio
dp
Section factor Ap/V
Para perfis metálicos protegidos
h
b
t.g/
t.at.gp
aa
ppt.a et
/V
A
c
d/qDDqq
qD 1
31
1 10
Perímetro do perfil
Área s/r do perfil2(b+h)
Área s/r do perfil
(b+2h)
Área s/r do perfil
Tabelas para avaliação da
temperatura Perfis metálicos protegidos sujeitas à curva ISO 834
Temperature of protected steel in ºC, exposed to the ISO 834 fire curve
for different values of p
pp
dV
A , KW/m3
Time
[min.]
100
W/m3K
200
W/m3K
300
W/m3K
400
W/m3K
600
W/m3K
800
W/m3K
1000
W/m3K
1500
W/m3K
2000
W/m3K
0 20 20 20 20 20 20 20 20 20
5 24 27 31 35 41 48 55 71 86
10 29 38 46 54 70 85 100 133 164
15 35 49 62 75 100 123 145 194 237
20 41 61 79 97 130 160 189 251 305
25 47 72 96 118 159 197 231 305 366
30 54 84 113 140 188 232 271 354 421
35 60 97 130 161 216 266 309 400 470
40 67 109 147 181 244 298 346 442 514
45 74 121 163 202 270 329 380 481 554
50 80 133 179 222 296 359 413 516 589
55 87 145 196 241 321 387 443 549 621
60 94 156 211 261 345 414 472 578 650
Nota: esta tabela é
valida apenas para
materiais de
proteção leves,
0.0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 60 120 180 240
Tem
pera
ture
[ºC
]
Time [min.]
2000 W/Km3
1500 W/Km3
1000 W/Km3
800 W/Km3
600 W/Km3
400 W/Km3
300 W/Km3
200 W/Km3
100 W/Km3
q
Nomograma para
determinação da temperatura
em perfis metálicos protegidos
Nomogram para determinação da temperatura de perfis metálicos protegidos
sujeitos à curva ISO 834, para diferentes valores de [Ap/V][λp/dp] [W/Km3]
Nota: este gráfico é
apenas válido para
meteriais de
proteção leves,
0.0
Para materiais de
proteção pesados deve
ser usado um fator de
massividade
modificado corrigido
Proteção passiva contra incêndio
Colunas:
Vigas:
1. Pintura com tintas intumescentes
2. Materiais projectados
3. Placas rígidas
4. Mantas
Acabamento com Tinta intumescente
1. Revestimento intumescente
Proteção passiva
2. Revestimento Projetados
Apresentam-se sob a
forma de argamassa
hidráulica pastosa ou
fibrosa, aplicável por
projecção.
Com espessuras finais de 10 a 40 mm, aplicam-se em zonas
com pouca exigência estética.
Proteção passiva
3. Revestimento com Placas
Apresentam-se sob
a forma de placas
rígidas com 20, 25,
30, 35, 40 e 50 mm
de espessura.
Protecção passiva
Podem ser de fibra
cerâmica, lã de
rocha ou qualquer
outro material
fibroso. São
aplicadas no
contorno por meio
de pinos de aço
previamente
soldados à estrutura.
Proteção passiva
4. Revestimento com Mantas
Cálculo Estrutural ao Fogo
Quatro etapas
1. Definir o tipo de incêndio - EC1
2. Definir as cargas em situação de incêndio - EC0 +EC1
3. Calcular a temperatura na estrutura - EC3
4. Calcular o comportamento mecânico - EC3
1. Tempo:
tfi,d > tfi,requ
2. Resistência:
Rfi,d,t > Efi,d,t
3. Temperatura:
qd < qcr,d
R E,
2
1
3
Rfi,dEfi,d
qd
qcr,d
t fi,requ t fi,dt
t
q
1
3
2
Domínios de verificação da
resistência ao Fogo – curvas
nominais
Nota: 1e 3 necessitam do
conhecimento da
temperatura crítica.
O conceito de temperatura
crítica - 1
qcrit,1crit,2q <crit,2qqcrit,1
Cabe ao projetista de
Estruturas o cálculo da
temperatura crítica.
Nota: A temperatura crítica
depende do grau de
carregamento do
elemento estrutural.
EN 1993-1-2:
O conceito de temperatura
crítica - 2
Qual o significado da equação (4.22)?
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperature [ºC]
Eq. 5.7
Table 5.2
119674.0
833.31
19.39
482
,
a
ek y
q
q
A curva que melhor se ajusta aos valores da tabela :
O conceito de temperatura
crítica - 3
119674.0
833.31
19.39
482
,
a
ek y
q
q
1
,,
qq ycra k
48219674,0
1ln19.39
833,3
,
,
q
qy
crak
O conceito de temperatura
crítica - 4
Temperaturas críticas por
defeito no Eurocódigo 3 e no
Anexo Nacional Português - 1
- O Eurocódigo 3 fornece um valor da temperatura crítica por
defeito a utilizar no caso de elementos de Classe 4, quando
não se efetua o seu cálculo.
- O Anexo Nacional da NP EN 1993-1-2 fornece valores da temperatura
crítica por defeito a utilizar quando não se efetua o seu cálculo.
Temperaturas críticas por
defeito no Eurocódigo 3 e no
Anexo Nacional Português - 2
(zonas de armazenamento)
Este fabricante tem tabelas para as seguintes temperaturas: 350, 400, 450, 500, 550, 600, 620, 650 e 700ºC
Espessura de tinta intumescente em função do fator de massividade e da temperatura crítica.
...
Importância de conhecer
a temp. crítica para a determi.
da espessura da proteção
Caso de estudo – Pavilhão industrial
Método simplificado de cálculo
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 1
Resistência ao fogo exigida – R60
2.75 x 24 = 66 m
6 x 14 = 84 m
AçoS355
2.0 m1.85 m
8.15 m IPE500
qcr = ?
Protecção = ?
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 2
Combinação de ações
G – Peso próprio
Q – Sobrecarga de utilização
W - Vento
GW.Q.GWQG W,Q, 000021Combinação de ações1:
W.GQ.W.GQWG Q,W, 20002021 Combinação de ações 2:
Section N M1 M2 q lfi,y lfi,z
- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]
-139.4 0 135.9 0 16.300 - IPE 500
-139.4 0 0 0 - 4.075
Section N M1 M2 q lfi,y lfi,z
- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]
-135.9 0 170.9 0.69 16.300 - IPE 500
-135.9 0 0 0 - 4.075
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 3
40
Section N M1 M2 q lfi,y lfi,z
- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]
-139.4 0 135.9 0 16.300 - IPE 500
-139.4 0 0 0 - 4.075
Temperatura crítica para a combinação de ações 1
Programa Elefir-EN
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 4
Temperatura crítica para a combinação de ações 1
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 5
Section N M1 M2 q lfi,y lfi,z
- [kN] [kNm] [kNm] [kN/m] [m] [m]
-135.9 0 170.9 0.69 16.300 - IPE 500
-135.9 0 0 0 - 4.075
Temperatura crítica para a combinação de ações 2
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 6
Temperatura crítica para a combinação de ações 2
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 7
Temperatura crítica do pilar IPE 500
qa,cr = min(656 ºC; 638 ºC) = 638 ºC
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 8
É necessário proteção passiva
para uma temperatura crítica de qa,cr = 638 ºC
tfi,d < trequ = 60 min
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Tem
pera
ture
[ºC
]
Time [min.]
400 m-1
300 m-1
200 m-1
100 m-1
60 m-1
40 m-1
30 m-1
25 m-1
20 m-1
15 m-1
10 m-1
638ºC
Tempo crítico com a curva ISO 834
Usando o Nomograma
18
1193 m.V
Ak m
sh
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 11
11351.133 mV
Am
Espessura da tinta intumescente
... 600ºC , 620ºC, 650ºC, ...
qa,cr = 638 ºC
X
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 12
Se, em vez de uma temperatura crítica de 638ºC, fosse usada
uma temperatura de 500ºC, seria necessária uma espessura de
0,605 mm.
qcr = 638ºC => e = 0,402 mm
qcr = 500ºC => e = 0.605 mmMais do que 50%
Em alguns países incluindo Portugal, são fornecidas
temperaturas críticas por defeito se nenhum cálculo for feito.
Normalmente para pilares e outros elementos em que pode
ocorrer instabilidade é sugerida uma temperatura crítica de
500ºC.
Espessura da tinta intumescente
Caso de estudo
Pavilhão industrial - 13
Mostrou-se, num caso concreto, que não calcular a temperatura
crítica pode corresponder a um gasto de tinta intumescente
superior a 50% relativamente ao uso de temperaturas críticas por
defeito.
Alguns países, incluindo Portugal, permitem a utilização de
temperaturas críticas por defeito, se nenhum cálculo for
efetuado.
Conclusões
Bibliografia
• Paulo M. M. Vila Real – Incêndio em Estruturas Metálicas – Cálculo Estrutural, Edições
Orion, 2003.
• Franssen, J.-M., Vila Real P. M. M., Fire Design of Steel Structures, ECCS ed., 2015.
• NP EN 1990, Eurocódigo: Bases para o projecto de estruturas, 2009.
• NP EN 1991-1-2, Eurocódigo 1: Acções em estruturas. Parte 1-2: Acções gerais. Acções em
estruturas expostas ao fogo, 2010.
• NP EN 1993-1-2, Eurocódigo 3: Projecto de estruturas de aço. Parte 1-1: Regras gerais e
regras para edifícios, 2010.
• Vila Real, P., Franssen, J. M. – Elefir-EN V1.2.3 (2010), Software for fire design of steel
structural members according the Eurocode 3. http://elefiren.web.ua.pt.
Obrigado pela Vossa atenção.
Paulo Vila RealProf. Catedrático da Universidade de Aveiro