REVISÃO HISTÓRICA DAS CURVAS PADRONIZADAS DE INCÊNDIO COSTA, Carla Neves(1); SILVA, Valdir Pignatta(2). (1)

Engª Civil, M.Sc., Doutorada, Academic Staff of the School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering of the University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester – U.K. – e-mail: [email protected] (2) Engª Civil, M.Sc., Professor Doctor, Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações da Escola Politecnica da Universidade de São Paulo – Brasil – e-mail: [email protected] - Av. Prof. Almeida Prado, Trav. 2, n° 271, Ed. Paula Souza [Eng. Civil] – CEP 05508-900 – Cidade Universitária – São Paulo – S.P. – Tel.: +55 +11 3091-5542 / 5562. Fax: +55 +11 3091-5181. RESUMO Na Engenharia Civil, a resistência ao fogo de elementos é avaliada por meio da reação ao calor do material construtivo influenciando a resistência da estrutura aquecida em serviço; a reação ao calor do material dependente do carregamento térmico imposto a estrutura, condicionado a severidade da ação térmica. As mudanças no comportamento das estruturas, quando submetidas a altas temperaturas, do incêndio são devidas à ação térmica. O aumento da temperatura do elemento estrutural e um efeito da ação térmica; as características mecânicas do material aquecido são reduzidas e esforços solicitantes de origem térmica são desenvolvidos sobrecarregando a estrutura aquecida. Para simular os efeitos da ação térmica de um incêndio, o aquecimento é caraterizado por modelos matemáticos que associam a elevação da temperatura em função do tempo. Neste trabalho, são apresentadas as origens, aplicações e limitações das principais curvas de incêndio empregadas em testes e projetos de elementos estruturais da construção civil. Palavras-chave: incêndio, estruturas civis, resistência ao fogo, curva-padrão. ABSTRACT In the Civil Engineering, the fire resistance of the members is evaluated regarding the reaction of the material to the fire and the load-bearing of the heated structure in service; the assessment depend on the thermal load conditioned to the severity of the thermal action. Thermal action is responsible for the changing in the structural behaviour of buildings undergone to the high temperature in a fire. Thermal action inducts the increasing of the temperature of the structural members; its effects change the mechanic features of the material (hardened concrete, steel, wood and others), as well induct the additional efforts to the heated structure. To simulate the thermal effects of a fire, the heating is featured by mathematical models associating the rising of the temperature as a function of the time. A historical origin, applying and limitations of the standardized fire curves most used in tests and design of building members are presented in this paper. Keywords: high temperature, civil structures, fire resistance, standard curve. 1

INTRODUÇÃO

A ação térmica é descrita pelos fluxos de calor radiativo e convectivo. O primeiro é gerado pelas chamas e pela superfície aquecida dos elementos estruturais e de compartimentação. O segundo, pela diferença de densidade entre os gases do ambiente em chamas: os gases quentes são menos densos e tendem a ocupar a atmosfera superior, enquanto os gases frios, de densidade menor, tendem a se movimentarem para e a atmosfera inferior do ambiente (SILVA (2004)). Na Engenharia Civil, os efeitos da ação térmica devem ser levados em conta por meio da redução das propriedades mecânicas dos materiais em função da temperatura elevada, bem como os esforços adicionais inexistentes à temperatura ambiente e não-previstos em projeto para a situação normal de uso, mas que surgem com a elevação de temperatura. Para facilitar a determinação da ação térmica nas estruturas, modelos matemáticos de incêndio foram formulados para descreverem a variação da temperatura do compartimento em função do tempo do sinistro. A relação temperatura x tempo é representada pelas “curvas temperatura-tempo” ou “curvas de incêndio”, as quais podem ser padronizadas (curva-padrão) ou parametrizadas pelas características do cenário do incêndio (curvas naturais). Até o presente, as curvas paramétricas existentes contemplam apenas os incêndios ordinários.

É usual estabelecer a resistência de elementos construtivos de edificios urbanos, com base na curva-padrão (ISO 834 (1975) ou ASTM E 119 (1918)) para fins de normatização. Quando o tempo de resistência dos elementos é determinado por meio da curva-padrão de aquecimento, ele é chamado de Tempo de Requerido Resistência ao Fogo – TRRF. A NBR 14432 (2000) – “Exigências de Resistência ao Fogo de Elementos Construtivos das Edificações” e a Instrução Técnica IT 08/04 (CB-PMESP (2004)) apresentam os tempos requeridos de resistência ao fogo (TRRF’s), recomendáveis para diversos tipos de edificações brasileiras. Trata-se de valores que são função do risco de incêndio e de suas conseqüências (COSTA & SILVA (2003)). Este trabalho descreve as principais curvas padronizadas de incêndio, usuais na avaliação da resistência ao fogo dos elementos de Construção Civil, suas origens históricas, aplicações e limitações de uso. 2

CARACTERIZAÇÃO DO INCÊNDIO

O incêndio é modelado por meio de curvas temperatura-tempo; elas associam a elevação da temperatura em função do tempo de duração do incêndio, permitindo estimar a máxima temperatura dos gases quentes no ambiente em chamas. O incêndio real apresenta três estágios básicos (Figura 2.1):
Ignição: região que representa o início da inflamação (t = 0), com crescimento gradual de temperatura, quase sem influência das características do compartimento (aberturas, material da compartimentação, etc.) e sem risco à vida humana ou ao patrimônio, por colapso estrutural. Esse estágio é também conhecido como “pré-flashover” (PURKISS (1996)) e termina no instante conhecido por “flashover” (instante de inflamação generalizada). Se as medidas de proteção ativa forem eficientes, o fogo é extinto rapidamente e, portanto, não há necessidade de verificação estrutural (SILVA (2001)).
Fase de aquecimento: região caracterizada por uma mudança súbita de crescimento da temperatura. Nesse estágio, todo o material combustível no compartimento entra em combustão; a temperatura dos gases quentes é superior1 a 300 °C e de crescimento veloz (WALTON & THOMAS (1995)) até atingir o pico da curva – a temperatura máxima do incêndio, correspondente a máxima temperatura dos gases do ambiente. Em incêndio compartimentado, é possível a temperatura máxima dos gases quentes ser superior aos 1000 °C (PURKISS (1996)).
Fase de resfriamento: região que representa a redução gradativa da temperatura dos gases no ambiente, após a completa extinção do material combustível durante a fase de aquecimento (SILVA (2001)). Deve-se notar que devido à inércia térmica, a temperatura no elemento estrutural continuará a aumentar por alguns minutos durante o período de resfriamento, havendo portanto, um pequeno “atraso” no início do resfriamento (PURKISS (1996)).

temperatura máxima aquecimento

ignição

resfriamento

“flashover”

temperatura θ (oC)

Os estágios de um incêndio podem ser definidos pelos seguintes pontos: início do “pré-flashover”, “flashover” e temperatura máxima. Os instantes correspondentes ao “flashover” e à temperatura máxima variam de incêndio para incêndio, bem como as respectivas temperaturas.

Os fatores que determinam a variabilidade de um incêndio em relação a outro são carga de incêndio, grau de ventilação e caracteristicas da tempo compartimentação, apresentados nos sub-itens a seguir; esses fatores caracterizam o cenário do Figura 2.1: Curva temperatura-tempo de um incêndio real. incêndio, possibilitando infinitas combinações. 2.1

Carga de incêndio

A carga de incêndio (ou carregamento) é constituída por todo o material combustível contido no compartimento em chamas. A carga de incêndio específica é definida pela eq. [2.1]. Para um mesmo compartimento e fator de 1

A temperatura entre 300 °C e 650 °C é associada ao instante em que o “flashover” ocorre, embora o intervalo compreendido entre 300 °C e 600 °C seja o mais usado (WALTON & THOMAS (1995)).

abertura (grau de ventilação) constante, à medida que a carga de incêndio aumenta, maior é a duração e a temperatura máxima do incêndio.

∑ µ ⋅m r

r

[2.1]

⋅ Hr

r

q fi =

Ap

0 ≤ µr ≤ 1 onde: µr = coeficiente adimensional indicativo do grau de combustão real de cada tipo do material combustível2; mr = massa total de cada componente do material combustível [kg]; Hr = poder calorífico específico de cada componente do material combustível [MJ/kg]; Ap = área do piso do compartimento [m²]; qfi = carga de incêndio por unidade de área [MJ/m²]. 2.2

Grau de ventilação

O grau de ventilação representa, implicitamente, a quantidade de comburente, i.e., do oxigênio do ar que reage com a carga de incêndio, produzindo a combustão. Ele é medido pelo fator de abertura (eq. 2.2). Quanto maior o grau de ventilação, maior é a temperatura máxima de um incêndio e menor é a sua duração; em outras palavras, quanto maior a quantidade de comburente insulflado, mais rápida é a combustão e o combustível é logo consumido, reduzindo a duração do incêndio.

ν=

[2.2]

Av ⋅ h At ν = fator de abertura [m½];

onde:

Av = área total das aberturas externas do edifício (portas e janelas) [m²]; At = área total incluindo vedações (parede, piso e teto) e aberturas [m²]; Ai = área da abertura externa “i” [m²];

h=

∑ (h

i

⋅ Ai )

Av

= altura média das aberturas [m];

hi = altura da abertura “i” [m]. 2.3

Características dos materiais da compartimentação

As características dos materiais da compartimentação pertinentes compreendem a resistência térmica dos materiais que constituem os elementos de vedação no compartimento em chamas. A resistência térmica da compartimentação é medida pelo fator característico de isolamento térmico do material de vedação, também definido como sendo a inércia térmica do material (eq. 2.3). Quanto maior a resistência da compartimentação à ação do fogo, impedindo-o que se propague, maior a temperatura máxima do incêndio. A propagação do fogo induz uma duração menor das chamas e a diminuição da temperatura máxima do incêndio no compartimento inicial. b = ρ ⋅c⋅λ

[2.3]

b = fator característico de isolamento térmico do material de vedação [J/m²s½°C];

onde:

ρ = massa específica do material do elemento de vedação [kg/m³];

2

µr é um coeficiente de difícil determinação; por simplificação e a favor da segurança, adota-se µr = 1 e a equação pode ser reduzida a:

∑m q=

r

r

At

⋅ Hr

.

c = calor específico do material do elemento de vedação [J/kg.°C]; λ = condutividade térmica do material do elemento de vedação [W/m.°C]. 3

INCÊNDIO-PADRÃO

O incêndio-padrão é o modelo de incêndio idealizado para análises experimentais, admitindo-se que a temperatura dos gases quentes no compartimento em chamas obedeça às curvas padronizadas. Na ausência de dados realísticos, as curvas padronizadas podem ser consideradas como a função temperatura da atmosfera do ambiente compartimentado. As curvas padronizadas mais conhecidas são aquelas apresentadas nos itens 3.1.1 e 3.1.3. Elas descrevem o incêndio cujo material combustível é composto por celulósicos. Para materiais a base de hidrocarbonetos, a curva “H” – uma abreviação de “hydrocarbon curve”– é a mais citada na literatura técnica. As curvas-padrão possuem apenas o ramo ascendente (Figura 3.1), com a temperatura crescendo em relação ao tempo, independente da influência da carga de incêndio e do grau de ventilação do compartimento e das propriedades térmicas dos materiais da compartimentação. Portanto, as curvas-padrão não representam uma situação real de incêndio, uma vez que as características do cenário do incêndio podem variar de um compartimento para o outro (COSTA (2002), COSTA & SILVA (2003), SILVA (2004)); contudo, elas são usadas para facilitar os ensaios em série de elementos construtivos para avaliar a sua resistência a fogo. Em busca pela solução do problema, diversos pesquisadores estudaram métodos para associar a curva-padrão, recomendadas em diversas normas internacionais às curvas mais realísticas, para o projeto de estrutural de edificios usuais. O método mais citado na literatura técnica internacional é o Método do Tempo Equivalente, o qual considera a influência das características térmicas dos elementos de vedação, da ventilação horizontal e vertical, da altura do compartimento e ainda, os coeficientes de ponderação associados ao risco de incêndio e suas conseqüências e a medidas de proteção (COSTA & SILVA (2005a), SILVA et al. (2005)). Em face da subjetividade envolvida, o Método do Tempo Equivalente ainda é pouco usado no Brasil, restringindo-se ao Estado de São Paulo (CB-PMESP (2004)). COSTA & SILVA (2005a) apresentam uma revisão histórica do método, sua adaptação às normas brasileiras de projeto estrutural e tabelas de uso imediato para facilitar os cálculos. Embora as curvas-padrão, particularmente aquelas representativas de incêndio de materiais celulósicos, não permitam prognosticar o desempenho de elementos construtivos em incêndios reais, longe do controle laboratorial das condições de ensaio, elas permitem uma análise comparativa de resistência ao fogo entre elementos similares, servindo como indicadoras qualitativas de resistência em função da severidade do aquecimento (COSTA & SILVA (2006)).

curva-padrão ISO 834 (1975) “flashover”

temperatura θ (oC)

temperatura máxima

Te mpo

Figura 3.1: Curva temperatura-tempo do modelo de incêndio-padrão.

3.1

3.1.1

Curva-padrão de incêndios de materiais celulósicos

ASTM E 119 (1918) – Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials

Nos idos de 1800, as normas de construção civil eram coletâneas de exigências incômodas, baseadas em observações in loco, que determinavam materiais e métodos necessários para os níveis de proteção contra incêndio aceitáveis para aquela época. Projetistas e industriais começaram a investigar métodos de ensaios e a configuração de corpos-de-prova, que pudessem ser representativos da exposição ao incêndio, em face da relutância das autoridades em permitir o uso de novos materiais de construção.

Os primeiros fornos de ensaios foram construídos em Denver e New York (E.U.A.) para testar pisos de madeira que deveriam resistir 8 a 24 horas de exposição ao fogo. Rapidamente, esses procedimentos ganharam aceitação nacional (GOSSELIN (1987)). A idéia de uma uniformização dos resultados de ensaios por meio de uma aproximação padronizada surgiu em 1903, durante um Congresso Internacional de Prevenção contra Incêndio realizado em Londres (GREEN (2001)). Tal idéia estimulou a ASTM (American Society for Testing and Materials) a criar, em 1905, um novo comitê de estudos a fim de desenvolver uma norma de ensaios de incêndio. Em 1908, a American Society for Testing and Materials divulgou critérios específicos padronizados de aceitação para ensaios, mantidos até os dias de hoje (GOSSELIN (1987)). Em 1917, a curva ASTM-C19 foi divulgada em forma de tabela (Tabela 3.1), junto com uma especificação para uma curva-padrão de aquecimento. Posteriormente, a ASTM-C19 foi alterada para ASTM-E119 (GREEN (2001)). A tabela da ASTM E119 tem sido adotada desde 1918, inspirada nas propostas de 1916 do Underwriters Laboratory, em Chicago, para ensaio de pilares (LIE (1972)). Os valores dessa tabela são baseados nas temperaturas máximas de incêndios reais, tomando por referência o ponto de fusão de materiais já conhecido naquela época (GOSSELIN (1987)). A curva-padrão UL 263 – “Fire Tests of Building Construction and Materials” do Underwriters Laboratory Inc. é normalmente divulgada como uma versão da própria ASTM E119, pelo fato de serem idênticas. A NFPA 251 – “Standard Methods of Tests of Fire Endurance of Building Construction and Materials” do National Fire Protection Association e a UBC-751 – “Fire Tests of Building Construction and Materials“ do Uniform Building Code também são freqüentemente referenciadas na América do Norte, como a própria ASTM E119, pela similaridade. Embora os ensaios de resistência ao fogo, com base na ASTM E 119 sejam considerados rigorosos, não são representativos de todos os incêndios, pois as condições de transferência de calor associadas à exposição ao fogo são diferentes para os incêndios atuais (MILKE et al. (2002)). 3.1.2

BS 476 (1932) – Fire Tests on Building Materials and Structures

A publicação da curva norte-americana ASTM-E119, em 1918, despertou o interesses nos britânicos em padronizarem a sua própria curva. A primeira edição da norma BS 476 foi publicada em 1932, pela British Standards Institution, para ensaio de resistência ao fogo de materiais. Em 1953, BS 476 foi revisada pela primeira vez; inumeras mudanças nas especificações foram feitas, mas o mesmo regime de aquecimento foi mantido. As revisões seguintes tentaram uniformizar as curvas BS 476 e ASTM E-119 a um padrão internacional, a passos lentos. Na década de 70, a formação do mercado comum europeu levou à quebra de barreiras comerciais dentro da indústria da construção civil na Europa e à necessidade do Reino Unido em adotar integralmente a ISO 834 (1975) como a curva curva-padrão BS 476, em 1987 (LWF (2000)). A legislação vigente do Reino Unido recomenda a BS 476 Part 20-22 (1987) para determinar a resistência ao fogo de elementos construtivos, até hoje. 3.1.3

ISO 834 (1975) – Fire Resistance Tests – Elements of Building Construction

Em 1961, a Organisation for International Standards designou um comitê para preparar um compêndio de especificações para ensaios de resistência ao fogo (LWF (2000)); os estudos deram origem ao texto ISO R834 para discussão – era a primeira versão do projeto de uma norma, que propunha uma curva temperatura-tempo, resultante de uma uniformização entre as curvas americana ASTM E119 (1918) e britânica BS 476 (1932). Em 1975, a International Organization for Standardization publicou a norma ISO 834 “Fire-Resistance Tests – Elements of Building Construction”, fornecendo a eq. [2.4] para estimar a temperatura em função do tempo do incêndio-padrão.

θ g − θ g 0 = 345 ⋅ log(8 ⋅ t + 1) onde:

θg = temperatura dos gases quentes (atmosfera) do compartimento em chamas [°C]; θg0 = temperatura da atmosfera do compartimento no instante t = 0 [°C]; t = tempo [min];

[2.4]

Normalmente, admite-se que a temperatura ambiente do compartimento no instante t = 0, i.e., na iminência da ignição, é de 20 °C; assim, a eq. [2.4] resulta em (Figura 3.3): [2.5]

θ g = 345 ⋅ log (8 ⋅ t + 1) + 20

A eq. [2.6] ilustra a variação da taxa de aquecimento do incêndio-padrão (eq. 2.5) em função do tempo. Para o tempo de 120 minutos, o valor médio da taxa de aquecimento da curva ISO 834 é de aproximadamente 9 °C/min (Figura 3.2). •

θg =

[2.6]

2760 1198,653 = (8 ⋅ t + 1) ⋅ ln 10 8 ⋅ t + 1 •

onde: θ g = taxa de aquecimento [°C/min].

taxa de aquecimento dθ/dt (°C/min)

100

50

taxa de aquecimento curva ISO 834 (1975) taxa de aquecimento - valor médio para 0 ≤ t ≤ 120 min.

0 0

15

30

45

60

75

90

105

120

tempo (min.)

Figura 3.2: Taxa de aquecimento do incêndio-padrão ISO 834 (1975).

Para as estruturas de concreto armado, a velocidade de aquecimento é pertinente, uma vez que a reação do concreto ao calor é influenciada pela taxa de aquecimento. A desagregação física, dentre outros fatores, é também causada por gradientes térmicos que induzem o desenvolvimento das tensões térmicas na macroestrutura do material. Se as tensões térmicas apresentarem intesidades maiores do que a resistência à tração do concreto endurecido, fissurações excessivas e lascamentos surgem fragmentado o material (COSTA et al. (2002)). É mais apropriado utilizar-se nos ensaios laboratoriais, taxas de aquecimentos compatíveis com a condição excepcional a que os elementos de concreto serão submetidos. Neste contexto, os ensaios padronizados mostram-se deficientes, porém necessários, pela inviabilidade operacional de executar testes em série utilizando inúmeros cenários de incêndio possíveis e, por conseguinte, inúmeras taxas de aquecimento (COSTA & SILVA (2003)). As hipóteses e condições do cenário de incêndio (fator de ventilação ν = 0,04 m½, fator térmico de compartimentação b = 1160 J/(m².s½.°C)) da curva ISO 834 são similares àquelas que deram origem ao ramo ascendente da curva (para o tempo t ≤ 120 minutos) recomendada pela norma sueca de 1967, SBN/1967 (SILVA (1997)). O Eurocode 1 (EN 1991-1-2 (2002)) e as normas brasileiras NBR 5628 (1980) e NBR 14432 (2000) recomendam a aplicação da curva-padrão da norma ISO 834, na determinação da resistência ao fogo de elementos construtivos. 3.1.4

Curva de incêndio externo (EN 1991-1-2 (2002))

O Eurocode 1 (EN 1991-1-2 (2002)) fornece a eq. [2.7] para o projeto de segurança contra incêndio de elementos construtivos externos ao compartimento de incêndio, que estão sujeitos ao ataque das chamas.

(

−0 ,32⋅t

θ g = 660 ⋅ 1 − 0,687 ⋅ e

− 0,313 ⋅

−3,80⋅t

e

)+ 20

[2.7]

As hipóteses consideradas no cenário de incêndio para o uso da curva de incêndio externo (external fire curve) EN 1991-1-2 (2002) são: a carga de incêndio do compartimento é constituída de materiais celulósicos e a temperatura da atmosfera exterior, aonde a estrutura está localizada, é inferior àquela dentro do compartimento. A curva de incêndio externo é, portanto, apropriada para o projeto de elementos de fachada dos edifícios usuais; devido às aberturas (janelas, portas,...) do compartimento, as chamas podem propagar-se para os “espaços abertos”, atingindo os elementos externos da compartimentação, tais como: paredes, marquises e parapeitos. Ressalta-se que marquises e paredes estruturais possuem a dupla função: manter a estabilidade estrutural e compartimentar (COSTA & SILVA (2005b)); nesses casos, eles devem atender à exigência ao fogo dos elementos construtivos mais rigorosa, entre ambas funções. Embora a curva de incêndio externo possa ser uma representação mais realísta de temperaturas em cenários de incêndios bem ventilados (LIM (2004)), poucas são as informações disponíveis na literatura técnica internacional sobre as suas origens e o seu uso em em ensaios de resistência ao fogo de elementos e em projetos estruturais. 3.1.5

Curvas-padrão normatizadas em outros países

Outros países também possuem curvas padronizadas nacionais, para ensaio de resistência ao fogo de elementos construtivos. Em alguns, a curvas padronizadas baseiam-se na ISO 834, por exemplo, a AS 1530 (1994) da Austrália; em outros, a curvas baseiam-se na ASTM E119, por exemplo, a ULC S101 (1989) do Canadá (BUCHANAN (2001)) e a JIS A 1304 (1994) do Japão (PHAN (1996)). A Tabela 3.1 e a Figura 3.3 mostram que essas curvas não apresentam diferenças significativas entre si. Tabela 3.1: Curvas-padrão para incêndio de materiais celulósicos mais usadas no meio técnico internacional.

Tempo (minutos)

0 5 10 15 30 60 90 120 180 240 360

Temperatura (°C) †

ASTM E119 BS 476 (1953) apud ISO 834 (1975) AS 1530 (1994) apud JIS A 1304 (1994) WEAVER (1993) apud PHAN (1996) (1918)‡ DRYSDALE (1999) 20 20 20 20 20 538 583 576 556 540 704 683 678 659 705 760 739 718 760 843 846 842 821 840 927 950 945 925 925 978 1006 986 980 1010 1054 1049 1029 1010 1059 1110 1090 1050 1093 1157 1153 1133 1095 1177 1214 1193 —

‡

Para t = 480 min., temperatura = 1260 °C. Para t > 480 min., temperatura = 1261 °C.

†

3.2

Curva-padrão de incêndios de materiais hidrocarbonetos

As curvas-padrão de incêndios de materiais hidrocarbonetos são empregadas no projeto de túneis e ambientes industriais, onde a carga de incêndio é composta por hidrocarbonetos, i.e., compostos químicos constituídos por átomos de carbono (C) e hidrogênio (H) combinados ou não a átomos de oxigênio (O), nitrogênio (N) e enxofre (S), tais como: petróleo, gás natural, óleo mineral, plásticos, ceras, solventes e óleos derivados. 3.2.1

UL 1709 (1984) – Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel

No início da década de 80, os Estados Unidos da América foram o primeiro país do mundo a investigar e a padronizar exigências e procedimentos de ensaios de materiais visando a segurança contra incêndios de materiais inflamáveis.

Em 1984, o Underwriters Laboratories Inc. (UL) em Northbrook (E.U.A.) testou o primeiro produto EIC (“Epoxy Intumescent Coatings”) – camada intumescente de epóxi, usando a curva de aquecimento UL 1709 “Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel” para ensaiar uma viga de perfil “I” em aço 10W49. Naquela época, não havia uma curva de hidrocarbonetos padronizada fora dos E.U.A. A metodologia empregada nos ensaios de materiais de proteção contra incêndios de hidrocarbonetos era tomada das indústrias petroquímicas, da International Maritime Organization3 (IMO) e da International Convention for the Safety of Life at Sea4 (SOLAS) (WARD et al. (1996)). A curva UL 1709 foi desenvolvida, admitindo-se um incêndio de aquecimento instantâneo e intenso, com uma combustão de 200 kW/m² de potência. Nos Estados Unidos, a maioria dos ensaios de elementos estruturais e de materiais de proteção contra incêndios de hidrocarbonetos seguem os procedimentos da UL 1709 (MILKE et al. (2002)). 3.2.2

ASTM E1529 (1993) – Standard Test Methods for Determining Effects of Large Hydrocarbon Pool Fires on Structural Members and Assemblies

A curva ASTM E1529 (1993) é similar à UL 1709 (1984) (Figura 3.4); a principal diferença está na instrumentação dos testes adotados por ambas as metodologias (UL e ASTM). A ASTM E1529 tem por base o julgamento, a experiência e os resultados de ensaios de vários incêndios de hidrocarbonetos, sendo projetada para atribuir à combustão uma potência de 158 kW/m²; contudo, ela não representa a intensidade dos incêndios atuais (MILKE et al. (2002)). Para t = 480, temperatura = 1261 °C.

1000

1000

800

800

600 ASTM E119 (1918)‡ BS 476 (1997)† apud DRYSDALE (1999) ISO 834 (1975) AS 1530 (1994) apud WEAVER (1993) JIS A 1304 (1994) apud PHAN (1996)

400 200

‡Para

t < 480 min., temperatura = 1260 °C.

†Para

t > 480 min., temperatura = 1261 °C.

0

θ (°C)

1200

θ (°C)

1200

ASTM E119 (2000) (apenas para efeito

600

400 UL 1709 (1984) apud WARD et al. 1996 ASTM E1529 (1993) apud MILKE et al. (2002) "H" - hydrocarbon curve (prENV 1991-1-2 (2001)) ASTM E 119 (2000)

200

0

0

30

60

90

120 150 180 210 240 270 300 330 360

tempo (min)

0

30

60

90

120

tempo (min)

Figura 3.3: Curvas-padrão para incêndio de materiais Figura 3.4: Curvas de incêndio americanas UL 1709 e ASTM celulósicos mais usadas no meio técnico internacional E1529 e a curva européia “H” para materiais hidrocarbonetos (COSTA (2002)). (COSTA (2002)).

3.2.3

Curva “H” (EN 1991-2-2 (2002))

A partir de 1970, as indústrias petroquímicas começaram a investigar as condições nas quais os incêndios por materiais inflamáveis eram produzidos (WARD et al. (1996)). Era comum notar o colapso de elementos estruturais de aço quando submetidos a incêndios devido à combustão de derivados de petróleo (MILKE et al. (2002)). Naquela época, WARREN & CORONA da Mobil Research and Development Corporation (U.S.A.) empreenderam pesquisas experimentais de vários tipos de incêndios devido à queima de combustível de hidrocarbonetos. Com base nessas experiências, WARREN & CORONA desenvolveram uma relação temperatura-tempo para representar a inflamação generalizada instantânea que é o incêndio de hidrocarboneto (BLAKE (2001)). Duas características importantes que diferenciam o incêndio de materiais hidrocarbonetos, do incêndio de materiais celulósicos, são evidenciadas: a taxa do aquecimento e o fluxo de calor liberado durante a combustão. 3

Organização Marítima Internacional.

4

Convenção Internacional para a Segurança da Vida no Mar.

Para os materiais combustíveis hidrocarbonetos, a temperatura alcança 1100 °C em 5 minutos de incêndio, enquanto para os materiais celulósicos, a temperatura pode chegar aos 880 °C após 40 minutos de incêndio. Comparando os fluxos do calor correspondentes, o do incêndio de celulósicos é, de aproximadamente, 100 kW/m², contra 200 kW/m² do incêndio de hidrocarboneto (WARD et al. (1996)). Na década de 80, as curvas temperatura-tempo de hidrocarbonetos conhecidas eram a curva UL 1709 e a curva Mobil ou curva NPD (Norwegian Petroleum Directorate), sendo esta última, adotada na maioria das vezes, na Europa; no continente, havia uma procura por uma uniformização dos procedimentos de ensaios; para diferenciar a curva NPD da curva-padrão para materiais celulósicos, aquela foi designada por “H”, para incêndio de hidrocarbonetos (WARD et al. (1996)). Assim, a curva “H” (eq. 2.7) foi idealizada, a priori, para projetos de segurança contra-incêndio de indústrias petroquímicas e offshore; atualmente ela tem sido recomendada para projeto de túneis. CANER et al. (2005) salienta que a curva “H” é apropriada a materiais derivados do petróleo que poderiam causar “pequenos” incêndios. O Eurocode 1 (EN 1991-1-2 (2002)) fornece a eq. [2.7] para a curva “H” (Figura 3.4).

(

θ g = 1080 ⋅ 1 − 0,33 ⋅ e 3.2.4

−0 ,17⋅t

−2 ,50⋅t

− 0,68 ⋅ e

) + 20

[2.7]

RWS (Rijkswaterstraat)

A curva RWS foi desenvolvida pelo Rijkswaterstraat (Ministério dos Transportes dos Países Baixos) para projetos de segurança contra incêndio de túneis, com base nos resultados de ensaios realizados pelo laboratório TNO (Nederlanse Organisatie Voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek), em 1979. Nos ensaios do TNO, admitiu-se o pior cenário de incêndio de um túnel, i.e., o incêndio de um caminhão-tanque de combustíveis, óleo ou petróleo com capacidade de 45.000 l, capaz de gerar 300 MW de potência durante 120 minutos, admitindo 2 MJ de energia de combustão liberada por uma área de 150 m². Os corpos-de-prova testados eram modelos de túneis de escala menor (BOTH et al. (1999)). A curva RWS tem sido recomendada nos procedimentos de ensaios para sistemas de proteção contra incêndio em túneis, publicados pelo TNO (TNO 98-CVB-R1161-1a (1999) apud COSTA (2002)); a temperatura maxima da curva RWS ultrapassa os 1200 °C sendo, apropriada para avaliar a resistência de materais de proteção se túneis; alguns materiais de proteção de túneis de concreto perdem sua função acima dos 1200 °C, embora resistam muito bem ao aquecimento ISO 834, curva “H” e RABT; além disso, as lajes internas de concreto têm o risco de lascamentos instantâneos aumentado quando a taxa de aquecimento é maior (BOTH et al. (1999)). A diferença entre a curva “H” e a curva RWS está no cenário de incêndio idealizado: a primeira apóia-se na elevação da temperatura num incêndio de hidrocarbonetos em um ambiente relativamente aberto, onde há dissipação de calor para a atmosfera circunvizinha; a segunda, apóia-se na elevação da temperatura mais provável de ocorrer dentro de uma área fechada, de grande dimensão, típica de túneis, onde a dissipação do calor para atmosfera próxima é pouco aceitável (BOSH (2001)). A curva RWS é, portanto, mais rigorosa que as demais curvas de incêndio de materiais inflamáveis (Figura 3.5). 3.2.5

RABT-ZTV (Richtlinie für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln – Zusätzliche technische Vertragsbedingungen)

Na década de 90, a Associação de Pesquisas de Tráfego e Estradas (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V.), da Alemanha, publicou o “Guia para Equipamento e Operação de Túneis Rodoviários” (Richtlinie für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln) contendo “Intruções Contratuais Técnicas Adicionais” (Zusätzliche technische Vertragsbedingungen). Neste documento, uma curva de hidrocarbonetos – RABT – diferente da curva “H”, padronizada pela União Européia, era apresentada para o projeto de obras rodoviárias. A curva tri-linear RABT (ou RABT-ZTV) simula o incêndio durante a explosão de um caminhão-tanque contendo líquidos derivados de petróleo (KÜTZING (1999)), com base em resultados de uma série de testes de diversos programas de pesquisa, como o projeto Eureka. A taxa de aquecimento para o ramo ascendente da curva RABT é muito maior, comparada à curva “H” (Figura 3.5). A temperatura se eleva rapidamente até 1200 °C durante os primeiros 5 minutos, enquanto na curva “H” a temperatura de 1150 °C é atingida após 60 minutos de incêndio. A temperatura começa a diminuir após 30 minutos, caracterizando um incêndio de curta duração, típico de um caminhão em chamas, mas com um resfriamento que leva 110 minutos.

A curva RABT pode ser adaptada às exigências particulares de testes de Tabela 3.2: Curva de incêndio RABT proteção contra incêndios envolvendo materiais altamente inflamáveis. (BOSH (2001)). Para o tráfego, a curva RABT é projetada para a temperatura se elevar até Tempo Temperatura (°C) 1200 °C em apenas 5 minutos, permanecendo constante por mais 25 (min) rodoviários ferroviários minutos. Para fins específicos, o período estável de temperatura constante 0 15 15 pode ser estendido a 60 minutos ou mais; contudo, o tempo de 5 1200 1200 resfriamento de 110 minutos é mantido (Tabela 3.2). 30 1200 1200 A curva RABT tem sido adotada, correntemente, nos projetos de túneis da 60 ≈ 876,81 1200 Alemanha e do Japão (BOSH (2001)). 140 15 ≈ 338,18 170 — 15 1400 1260

1350

1300 1200

1200

temperatura (°C)

1300

1140

1000 890

800 600

"H" - hydrocarbon curve (prENV 1991-1-2 (2001)) UL 1709 (1984) apud WARD et al. (1996)

400

RWS - Rijkswaterstraat (RWS/TNO (1998) apud BOTH et al. (1999)) RABT (1994) (BOSCH (2001))

200

RABT (1994) (BOSCH (2001)) - valores flexíveis conforme proteção predeterminada

0 0

30

60

90

120

150

tempo (min) Figura 3.5: Curvas temperatura-tempo para incêndio de materiais hidrocarbonetos mais usadas (COSTA (2002)).

3.2.6

DPT (Dublin Port Tunnel)

A curva de incêndio DPT foi idealizada para o projeto das lajes internas de concreto armado moldadas in loco do Dublin Port Tunnel, na Irlanda (U.K), ainda em construção, com inauguração prevista para o 2° semestre de 2006 (DUBLIN CITY COUNCIL (2006)). O Dublin Port Tunnel é um túnel subterrâneo que interliga as cidades de Tabela 3.3: Curva de incêndio DPT Dublin a Belfast, e o porto de Dublin às principais vias de acesso à captal (FSD (2004)). irlandesa; o orçamento da obra tem sido avaliado € 752 milhões. O túnel Tempo (min) Temperatura (°C) possiu 4,5 km de extensão; as passarelas de pesdestres ocupam 250 m e, o 4 1020 cruzamento de vias e rotas de fuga, 1000 m (DUBLIN CITY COUNCIL 10 1130 (2006)). 30 1200 A severidade do incêndio e as perdas conseqüentes têem justificado a 120 1200 rigorosidade de um projeto estrutural de segurança contra-incêndio 230 20 (ATKINS (2003)): a curva DPT tem por base a curva “H”, modificada para uma carga de incêndio medida em 300 MW de potência de calor gerado pela combustão. A curva DPT possui os ramos ascendente e descendente, representando o aquecimento e refriamento, respectivamente; admites-e o tempo de duração do incêndio igual a 230 min (Tabela 3.3). A DPT é, portanto, uma curva de incêndio de severidade intermediária, superior à curva “H” e inferior à curva RWS. A análise térmica dos possíveis de materiais proteção passiva das lajes internas do Dublin Port Tunnel e informações adicionais do projeto de segurança contra-incêndio são encontrados em FSD (2004)). 4

CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou as origens e curiosidades históricas principais curvas padronizadas de incêndio, utilizadas atualmente em ensaios resistência ao fogo dos elementos de construção civil.

As curvas padronizadas não representa um incêndio real, mas são internacionalmente recomendadas em normas e procedimentos de ensaios por questões práticas. As exigências prescritivas de segurança contra-incêndio apresentadas em normas e regulamentos, baseiam-se na curva-padrão ISO 834, para materiais celulósicos. Para os materiais inflámaveis, a mais conhecida e a curva “H”, padronizada pela Uniao Européia. Entretanto, os cenários de incêndio dos túneis Europeus projetados na última década, requereu um projeto de segurança mais rigoroso, necessitando o emprego de curvas de incêndio mais realistas; curvas de hidrocarbonetos “personalizadas” teem sido desenvolvidas para túneis especificos, tais como o Dublin Port Tunnel, sinalizando a tendencia de normatização de curvas-naturais de hidrocarbonetos para vias de transporte enclauruadas, num futuro próximo. 5

AGRADECIMENTOS

À CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior e ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo apoio dado a esta pesquisa; ao Prof. PhD. Colin G. Bailey da School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering of The University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester (U.K.), pela disponibilidade de equipamentos necessários e biblioteca da instituição, para a edição deste texto. 6

REFERÊNCIAS

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