Projeto de lajes mistas nervuradas de concreto em incêndio

Resumos

The Brazilian standards of structures in fire prescribe minimum dimensions for the ribbed slabs to ensure fire resistance. However, a new composite ribbed slab is not covered by any of the Brazilian standards in fire. The objective of this work is to present unpublished results from numerical and thermal analyses for this type of slab. Ribbed slabs filled with cell concrete blocks, ceramic bricks and EPS supported by cimentitious board were studied. The constructive element is considerate as thermal insulation if it has the capacity to prevent the occurrence, on the face non exposed to fire, temperature increments greater than 140 ºC on the average or greater than 180 ºC at any point. The support function was determined limiting the temperature of the beams and slabs rebars to 500 ºC. The analyses were carried out with the ATERM and Super Tempcalc, software for two-dimensional thermal analysis by means of the finite element method. As a result, tables will be presented that link the fire resistance required time to slab dimensions and position of rebar. Prior to use in designing these results must be confirmed by experimental analysis, which is already being provided.

fire; thermal analysis; ribbed slabs; waffled slabs; composite slabs

Projeto de lajes mistas nervuradas de concreto em incêndio

I. Pierin; V. P. Silva

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil. [e-mail], [e-mail]

RESUMO

As normas brasileiras de estruturas em situação de incêndio fornecem dimensões mínimas para as lajes nervuradas para assegurar as funções corta fogo e de estabilidade estrutural. Porém, uma nova laje mista nervurada lançada no mercado brasileiro não é coberta por qualquerdas normas brasileiras para a situação de incêndio. O objetivo deste trabalho é apresentar resultados inéditos, frutos de análises numéricastérmicas e estruturais para esse tipo de laje. Foram estudadas lajes com preenchimento de bloco de concreto celular, lajota cerâmica e EPSsuportado por placa cimentícia. O sistema construtivo é considerado como isolante térmico se possuir a capacidade de impedir a ocorrência,na face que não está exposta ao incêndio, de incrementos de temperatura maiores que 140 ºC na média dos pontos de medida ou maioresque 180 ºC em qualquer ponto de medida. A função estrutural foi determinada admitindo a limitação da temperatura das armaduras de vigas elajes em 500 ºC. As análises foram realizadas com auxílio dos programas ATERM e Super Tempcalc, programas computacionais para análisetérmica bidimensional de transferência de calor, por meio do método dos elementos finitos. Como resultado, serão apresentadas tabelas quecorrelacionarão o TRRF (tempo requerido de resistência ao fogo) às dimensões da laje e posição das armaduras. Antes do uso em projeto,esses resultados deverão ser confirmados por análise experimental.

Palavras-chave:incêndio, análise térmica, laje nervurada, laje mista.

1. Introdução

A norma brasileira ABNT NBR 14323:2013 [1] apresenta recomendações para lajes mistas de aço e concreto, com fôrma incorporada, em situação de incêndio. A norma brasileira ABNT NBR 6118:2007 [2] define as lajes nervuradas e prescreve dimensões mínimas para o perfil nervurado a fim de dispensar a verificação da flexão da mesa. A ABNT NBR 15200:2012 [3] fornece dimensões mínimas, por meio do método tabular, para assegurar as funções corta fogo e de estabilidade estrutural.

Um novo tipo de laje mista de aço e concreto foi lançado no mercado. Trata-se de uma laje nervurada em que a fôrma metálica (Figura 1) fabricada pela Tuper é colocada na base da nervura (Figura 2), trabalhando como fôrma e armadura inferior.

Devido às características dessa laje mista nervurada, nenhuma das normas citadas anteriormente cobre o dimensionamento dessa laje em situação de incêndio.

Este trabalho tem por objetivo pesquisar o comportamento dessas lajes nervuradas a altas temperaturas, com a finalidade de se analisar o isolamento térmico, conforme procedimento recomendado pela ABNT NBR 5628:2001 [4] e a capacidade resistente, com base na temperatura-limite de 500 ºC nas armaduras [5], [6]. As lajes estudadas são preenchidas com lajotas cerâmicas (Figura 3), bloco de concreto celular (Figura 4) ou EPS sobre placa cimentícia (Figura 5). Este estudo tem como hipótese o perfeito contato entre o material de enchimento e a parede da nervura, portanto, todo é qualquer resultado encontrado neste estudo deve ser comprovado experimentalmente. A vantagem de se realizar uma análise numérica é que se pode avaliar o comportamento de grande quantidade de alternativas, barateando assim a análise experimental, que pode se dedicar a menor número de ensaios.

2. Parâmetros adotados na análise térmica das lajes

2.1 Ação térmica

O modelo de incêndio empregado na análise foi o do incêndio-padrão (Equação 1) conforme [4] e [7], sendo que o coeficiente de transferência de calor por convecção, α_c, foi adotado igual a 25W/m² ºC nas fases diretamente aquecidas pelo incêndio e a emissividade resultante, ε_res, igual a 0,7. Na face não exposta diretamente ao calor, foi tomada uma combinação de convecção e radiação, simulada por α_c = 9 W/m² ºC. Na Equação 1, θ_g é a temperatura dos gases, expresso em graus Celsius (ºC), q o é a temperatura ambiente tomada igual a 20 ºC e t é o tempo em min.

2.2 Propriedades dos materiais

2.2.1 Concreto

Na análise térmica de estruturas é necessário o conhecimento das propriedades térmicas, tais como a densidade, a condutividade térmica e o calor especifico. Esses valores são variáveis com a temperatura e, para o concreto, foi adotada a formulação apresentada na ABNT NBR 15200:2012 3, sendo que a densidade à temperatura ambiente foi igual a 2400 kg/m³, conforme recomendado pela ABNT NBR 6118:2007 2 e a umidade foi adotada igual a 1,5% em peso.

2.2.2 Aço

Adotaram-se as propriedades como recomendado pela ABNT NBR 14323:2013 1 também apresentadas em 6.

2.2.3 Lajota cerâmica

Para as lajotas cerâmicas não há um consenso sobre os valores a se adotar para as propriedades necessárias à análise térmica. Apresentam-se na Tabela 1 os valores das propriedades térmicas retirados de bibliografia. Quando não se dispõe de ensaios, a ABNT NBR 15220-2:2005 8 indica as propriedades das lajotas cerâmicas à temperatura ambiente, também indicadas na Tabela 1.

A condutividade térmica do concreto normal diminui com a temperatura, então, supondo que o mesmo aconteça com a lajota cerâmica, se considerará a favor da segurança, o valor à temperatura ambiente. A favor da segurança serão usadas a maior condutividade térmica (1,05 W/m C) e a menor capacitância (densidade × calor específico = 1000 kg/m3 × 835 J/kg ºC= 835000 J/m³ ºC)

2.2.4 Bloco de concreto celular

Para os blocos de concreto celular, também não há um consenso sobre os valores a se adotar para as suas propriedades na análise térmica. Apresentam-se na Tabela 2 as propriedades físico-térmicas fornecidas por algumas empresas fabricantes de blocos de concreto celular e os retirados de bibliografia.

A condutividade térmica do concreto normal diminui com a temperatura, então, supondo que o mesmo aconteça com o concreto celular, se considerará a favor da segurança, o valor à temperatura ambiente. A favor da segurança serão usadas a maior condutividade térmica (0,3 W/m ºC) e a menor capacitância (densidade × calor específico = 300 kg/m³ × 850 J/kg ºC= 255000 J/m³ ºC)

2.2.5 Placa cimentícia

Após extensa pesquisa sobre as propriedades físico-térmicas de placas cimentícias encontraram-se poucos resultados e com grande variabilidade entre eles como se pode ver na Tabela 3.

Em virtude da grande variabilidade dos valores das propriedades da placa cimentícia, realizou-se um estudo para verificar a influência das propriedades térmicas da placa cimentícia no campo de temperaturas da laje. De acordo com as propriedades térmicas apresentadas neste item, foram realizadas sete simulações em que se variaram as propriedades da placa cimentícia conforme mostra a Tabela 4. Na sexta simulação foram adotadas as propriedades térmicas do concreto para a placa cimentícia. Na sétima simulação não foi considerada a presença da placa cimentícia, ou seja, as faces laterais da nervura e a face inferior da capa de concreto estão expostas diretamente ao incêndio.

Para verificar a influência das propriedades físico-térmicas no campo de temperaturas da laje, analisou-se a variação da temperatura em três pontos, conforme mostra a Figura 6: ponto A - canto superior esquerdo da nervura, ponto B - ponto médio da face superior da capa de concreto e ponto C - localizado na chapa de aço.

Por meio do programa Super TempCalc 19 de análise térmica foram traçados gráficos que mostram a variação da temperatura em função do tempo de exposição ao incêndio dos pontos A, B e C. Como exemplo se apresentam as Figuras 7 e 8.

Como se nota nas Figuras 7 e 8, apesar de a placa cimentícia ser de pequena espessura sua proteção não é desprezável se comparada às curvas associadas à simulação 7, sem placa cimentícia. Por outro lado, as características físico-térmicas, simulações 1 a 6, não afetam profundamente os resultados. Por este estudo ser numérico e pela grande variabilidade encontrado nos valores das propriedades da placa, optou-se por admitir as propriedades da simulação 1, a favor da segurança

3. Análises das lajes preenchidas com lajota cerâmica

3.1 Laje tipo 12-4

Analisou-se, empregando o programa Super TempCalc [19], o comportamento térmico da laje nervurada de concreto preenchida com lajota cerâmica. Primeiramente, adotou-se a espessura da laje de concreto igual a 4 cm, altura da nervura a partir da capa igual a 8 cm, largura da nervura igual a 10 cm, lajota cerâmica de 8,0 cm de altura e a espessura da vigota metálica de 1,95 mm, conforme mostra a Figura 3. Nos furos da lajota cerâmica foi considerada a presença de ar. Foram analisados os campos de temperatura para 30, 60, 90, 120, 150 e 180 minutos de exposição ao incêndio-padrão. Como exemplo apresentam-se nas Figuras 9 e 10, respectivamente, o campo térmico e as isotermas para 60 minutos.

3.2 Outras espessuras de capa ou capa mais revestimento

Para avaliar o isolamento térmico da laje com lajota cerâmica, variou-se a espessura da capa de concreto de 4 a 8 cm. Tendo em vista que as propriedades físico-térmicas de argamassa de cimento e areia são próximas das do concreto, a espessura da capa usada nos modelos computacionais pode ser substituída, na prática, pela espessura real da capa mais uma camada de argamassa de cimento e areia. A altura da nervura sem a capa foi mantida igual a 8 cm. As temperaturas máximas e médias obtidas na face superior da laje para as espessuras de capa iguais a 4, 5, 6, 7 e 8 cm estão apresentadas nas Tabelas 5 e 6. A partir das Tabelas 5 e 6 pode-se construir a Tabela 7 que associa a espessura da capa ao tempo de resistência ao fogo para isolamento térmico.

Na Tabela 8 estão apresentadas as distâncias entre a face inferior da nervura e o ponto mais baixo (d₁) e o mais alto (d₂) da isoterma de 500 ºC e a mínima distância entre a isoterma de 500 ºC e o topo da reentrância de aço (d₃), conforme mostra a Figura 11.

Para TRRF superiores a 120 minutos a isoterma de 500 ºC corta a capa de concreto da laje. A armadura deveria ser colocada na capa e no meio da nervura o que não é praticável. A partir das análises efetuadas propõem-se a Tabela 9. Os valores foram arredondados em vista da dificuldade de precisão milimétrica em obra. Observa-se que os valores de c₁ da Tabela 9 são considerados elevados. Porém, para fins estruturais podem ser compensados aumentando a altura da nervura. Isso nada afetará os resultados encontrados neste trabalho.

4. Análises das lajes preenchidas com bloco de concreto celular

4.1 Laje tipo 12-4

Realizou-se a análise do comportamento térmico da laje nervurada de concreto preenchida com bloco de concreto celular. Primeiramente, adotou-se a espessura da laje de concreto igual a 4 cm, altura do bloco cerâmico igual a 8 cm, largura da viga igual a 10 cm e a espessura da vigota metálica de 1,95 mm, conforme mostra a Figura 3. Devido à continuidade da laje, foi modelada apenas uma nervura com largura da mesa colaborante igual a 30 cm. Por meio do programa ATERM [20] foi realizada a analise térmica da laje para 30, 60, 90, 120, 150 e 180 min. Como exemplo, se apresentam o campo de temperaturas e as isotermas para 60 min de incêndio-padrão nas Figuras 12 e 13.

Na Tabela 10 são apresentadas as temperaturas mínima, máxima e média obtidas na face superior da laje para os tempos de 30 a 180 min de exposição ao incêndio. Também são apresentadas temperaturas médias na face superior da laje na região da nervura. A variação da temperatura ao longo da face superior da laje para os tempos de 30 a 180 minutos está apresentada na Figura 14, onde a área hachurada indica a região da nervura. Observa-se que as maiores temperaturas ocorrem na região da nervura.

Verifica-se que a laje nervurada estudada com capa de 4 cm e preenchida com bloco de concreto celular com 8 cm de altura atende aos requisitos de isolamento térmico para TRRF de até 120 min.

4.2 Outras espessuras de capa ou capa mais revestimentos

Para uma melhor avaliação do isolamento térmico da laje, adotou- -se uma espessura da capa de concreto de 5 cm. A análise térmica foi refeita e verificou-se que, conforme mostra a Tabela 10, a laje estudada atende os requisitos de isolamento térmico para TRRF de até 150 min. Nova análise realizada para a espessura de 6 cm comprovou que a condição de isolamento térmico é atendida para TRRF de até 180 min, conforme mostra a Tabela 10.

Para se empregar o método simplificado da temperatura-limite de 500 ºC nas armaduras, construiu-se a Tabela 11 em que se apresenta, para a laje com capa de 4 cm, as distâncias entre a face inferior da nervura e o ponto mais baixo (d₁) e o mais alto (d₂) da isoterma de 500 ºC e a mínima distância entre a isoterma de 500 ºC e o topo da reentrância de aço (d₃), conforme mostra a Figura 15.

Do estudo realizado, conclui-se que a segurança é verificada se o centro geométrico (CG) das barras mantiver uma distância da face inferior da nervura superior a 2,4 cm. Para TRRF de 60 min, esse valor sobe para 2,8 cm. Para TRRF superiores a 90 min, os valores encontrados não seriam utilizáveis na prática. Assim, a próxima análise será para blocos de maior de altura.

Foram analisadas também as lajes tipo 16-4, 20-4 e 25-4, o que corresponde à capa com 4 cm de espessura e nervura mais capa com 16, 20 e 25 cm de altura (respectivamente, bloco com 12 cm, 16 cm e 21 cm de altura). Na Tabela 12 são apresentadas as temperaturas mínima, máxima e média obtidas na face superior da laje para os tempos de 30 a 180 minutos de exposição ao incêndio. Também são apresentadas temperaturas médias na face superior da laje na região da nervura.

Na Tabela 13 estão apresentadas as distâncias entre a face inferior da nervura e o ponto mais baixo (d₁) e o mais alto (d₂) da isoterma de 500 ºC e a mínima distância entre a isoterma de 500 ºC e o topo da reentrância de aço (d₃), conforme mostra a Figura 15. Observando-se a Tabela 13, pode-se construir a Tabela 14, no que se refere ao isolamento térmico.

Observando-se a Tabela 13, pode-se notar que os valores de d1 se equivalem, ou seja, pouco dependem da altura da nervura. Assim sendo, propõem-se os valores mínimos de c₁, distância do CG da armadura até a base da nervura, indicados na Tabela 15. Os valores foram arredondados em vista da dificuldade de precisão milimétrica em obra.

Observa-se que os valores de c1 da Tabela 15 considerados elevados para fins estruturais podem ser compensados aumentando a altura da nervura. Isso nada afetará os resultados encontrados neste trabalho.

5. Análises das lajes preenchidas com bloco EPS apoiados sobre placa cimentícia

5.1 Laje tipo 12-4

Analisou-se o comportamento térmico da laje nervurada de concreto preenchida com bloco de EPS sobre placa cimentícia empregando- se o programa Super TempCalc 19. Não se considerou na análise a presença do EPS em vista de ele ser consumido rapidamente pelo calor. Primeiramente, adotou-se a espessura da laje de concreto igual a 4 cm, altura da nervura a partir da capa igual a 8 cm, largura da nervura igual a 10 cm, placa cimentícia de 6,0 mm de espessura e a espessura da vigota metálica de 1,95 mm, conforme mostra a Figura 5.

Foram analisados os campos de temperatura para 30, 60, 90, 120, 150 e 180 minutos de exposição ao incêndio-padrão. Como exemplo apresentam-se nas Figuras 16 e 17, respectivamente, o campo térmico e as isotermas para 60 minutos.

5.2 Outras espessuras de capa ou capa mais revestimento

Para avaliar o isolamento térmico da laje com placa cimentícia, variou-se a espessura da capa de concreto de 4 a 8 cm. Tendo em vista que as propriedades físico-térmicas de argamassa de cimento e areia são próximas das do concreto, a espessura da capa usada nos modelos computacionais pode ser substituída, na prática, pela espessura real da capa mais uma camada de argamassa de cimento e areia. A altura da nervura foi considerada igual a 8 cm. As temperaturas máximas e médias obtidas na face superior da laje para as espessuras de capa iguais a 4, 5, 6, 7 e 8 cm estão apresentadas nas Tabelas 16 e 17.

A partir das Tabelas 16 e 17 pode-se construir a Tabela 18 para isolamento térmico. Por curiosidade, incluem-se os valores normatizados pela ABNT NBR 15200:2012 no caso da ausência da placa cimentícia.

Para se empregar o método simplificado da temperatura-limite de 500 ºC nas armaduras foi construída a Tabela 19 onde estão apresentadas as distâncias entre a face inferior da nervura e o ponto mais baixo (d₁) e o mais alto (d₂) da isoterma de 500 ºC e a mínima distância entre a isoterma de 500 ºC e o topo da reentrância de aço (d₃), conforme mostra a Figura 18.

Para TRRF superiores a 120 min a isoterma de 500 ºC corta a capa de concreto da laje. A armadura deveria ser colocada na capa e no meio da nervura o que não é praticável. Observando-se a Tabela 8, propõem-se a Tabela 20. Os valores foram arredondados em vista da dificuldade de precisão milimétrica em obra.

Os valores de c₁ da Tabela 20 são considerados elevados, porém para fins estruturais podem ser compensados aumentando a altura da nervura. Isso nada afetará os resultados encontrados neste trabalho.

6. Comparações à norma brasileira

Comparando-se as lajes preenchidas às sem preenchimento, elas deveriam seguir as recomendações da ABNT NBR 15200:2012 3, apresentam-se na Tabela 21, de forma resumida, os resultados deste estudo e na última coluna as exigências da norma brasileira para TRRF em função do isolamento térmico.

Na Tabela 22 apresentam-se de forma resumida os resultados deste estudo e na última coluna as exigências da norma brasileira para c₁ mínimo.

7. Conclusões

Neste trabalho analisaram-se lajes mistas nervuradas preenchidas por lajotas cerâmicas, blocos de concreto celular e EPS sobre placa cimentícia, à temperatura elevada. Foram analisadas as condições de isolamento térmico e capacidade resistente.

A presença de qualquer dos três tipos de enchimento estudados melhora o desempenho da laje em incêndio, aumentando o tempo de resistência ao fogo e diminuindo o valor de c₁ mínimo, em relação às lajes sem enchimento com as mesmas dimensões das aqui estudadas.

Com base unicamente em análise numérica termestrutural, propõem-se valores de tempo de resistência ao fogo em função da capacidade de isolamento térmico e c₁ admitindo-se a temperatura-limite de 500 ºC na armadura.

Em vista do ineditismo desta pesquisa e, principalmente, pela presença do grande espaço preenchido com ar aquecido nos furos da lajota cerâmica e no vazio provocado pela queima do EPS, os resultados relativos a isolamento térmico e à posição da armadura, aqui apresentados, devem ter comprovação experimental antes de serem empregados em projeto. Da mesma forma, a garantia de estanqueidade deve ser analisada experimentalmente, visto não ter sido alvo deste estudo.

O procedimento numérico conduziu a resultados que podem ser uteis para nortear os futuros ensaios.

8. agradecimentos

Agradece-se à FAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, ao CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e à Tuper.

9. Referências bibliográficas

Received: 11 Dec 2013

Accepted: 20 Feb 2014

Available Online: 03 Apr 2014

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• [03] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15200: Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio. Rio de Janeiro, 2012.
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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  22 Abr 2014
• Data do Fascículo
  Abr 2014

Histórico

• Aceito
  20 Fev 2014
• Recebido
  11 Dez 2013