Análise numérica do comportamento térmico e verificação da resistência ao fogo de vigas de concreto armado em situação de incêndio

Abstract

A Segurança Contra Incêndio em Edificações (SCIE) é uma área da ciência que tem o objetivo de preservar a vida, o patrimônio e a integridade da edificação, nessa ordem de preferência. No entanto, a realização de ensaios experimentais em escala real para SCIE geralmente implica em altos custos associados a instalações e equipamentos. Nesse contexto, as ferramentas de Fluidodinâmica Computacional (CFD – do inglês: Computational Fluid Dynamics) surgem como uma alternativa viável para analisar o fenômeno do incêndio. Elas são capazes de reproduzir a propagação do calor, a taxa de liberação de fumaça e avaliar o comportamento de estruturas de concreto armado por meio de simulações computacionais. Além disso, os estudos de SCIE frequentemente recorrem a curvas idealizadas e padronizadas para simulações de cenários de incêndio. Entre essas curvas, destacam-se a curva ISO 834 (ISO, 1999), a EN 1992- 1-2 (EN, 2004) e a ASTM E 119 (ASTM, 2000). Porém, essas curvas relacionam apenas a temperatura dos gases com o tempo, ou seja, não representam as curvas desenvolvidas em incêndios reais. O fenômeno de incêndio é influenciado por fatores como aberturas, distribuição de carga de incêndio, materiais combustíveis, entre outros, que tornam cada incêndio único. Diante disso, a presente pesquisa realiza a avaliação da resistência teórica de vigas de concreto armado submetidas a incêndios de baixo, médio e alto risco. Tal exposição é realizada por meio de simulações computacionais através do software Fire Dynamics Simulator (FDS). A resistência teórica ao fogo, obtida tanto pelo método tabular quanto pelo método simplificado de isoterma de 500 °C para as curvas de incêndio geradas pelo FDS, é comparada com a resistência derivada da curva padrão ISO 834 (ISO, 1999). Os resultados indicam que o posicionamento da viga em relação ao incêndio influencia a magnitude da redução da resistência ao fogo, sendo mais afetada quando mais próxima do foco do incêndio. Além disso, conclui-se que o aumento do número de faces expostas intensifica o impacto nos elementos estruturais. Por fim, a avaliação da resistência ao fogo das vigas, quando submetidas à curva padrão ISO 834 (ISO, 1999), é favorável à segurança, especialmente com três faces expostas ao incêndio, mesmo que a curva padrão desconsidere o tempo de exposição na fase de ignição.

Fire Safety in Buildings (FSB) is a scientific field with the objective of preserving life, property, and the integrity of the structure, in that order of preference. However, conducting real-scale experimental tests for FSB typically involves high costs associated with facilities and equipment. In this context, Computational Fluid Dynamics (CFD) tools emerge as a viable alternative to analyze the fire phenomenon. They can replicate heat propagation, smoke release rates, and assess the behavior of reinforced concrete structures through computational simulations. Moreover, FSB studies often resort to idealized and standardized curves for fire scenario simulations. Notable among these curves are the ISO 834 curve (ISO, 1999), EN 1992- 1-2 (EN, 2004), and ASTM E 119 (ASTM, 2000). However, these curves only relate gas temperature to time and do not represent curves developed in real fires. The fire phenomenon is influenced by factors such as openings, distribution of fire load, combustible materials, among others, making each fire unique. In light of this, the present research evaluates the theoretical resistance of reinforced concrete beams subjected to low, medium, and high-risk fires. This exposure is carried out through computational simulations using the Fire Dynamics Simulator (FDS) software. The theoretical fire resistance, obtained through both the tabular method and the simplified 500 °C isotherm method for fire curves generated by FDS, is compared with the resistance derived from the standard ISO 834 curve (ISO, 1999). The results indicate that the beam's position concerning the fire influences the magnitude of the reduction in fire resistance, with greater impact when closer to the fire's focus. Additionally, it is concluded that an increase in the number of exposed faces intensifies the impact on structural elements. Finally, the assessment of fire resistance for beams, when subjected to the ISO 834 standard curve (ISO, 1999), favors safety, especially with three faces exposed to the fire, even though the standard curve disregards exposure time in the ignition phase.