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Segurança Contra Incêndio

Proteção de Estruturas Metálicas

Estruturas Metálicas: vantagens e vulnerabilidades


Atualmente, em Portugal, as estruturas metálicas são soluções construtivas cada vez mais utilizadas, nomeadamente em edifícios de múltiplos andares, pavilhões industriais e comerciais, pontes e viadutos, entre outros.

A utilização de metais em construção, tais como o ferro, o aço ou o alumínio, introduz benefícios significativos, não só em termos de mecânica estrutural e de estética, mas também a nível do processo construtivo. As estruturas metálicas apresentam uma excelente relação entre o peso e a resistência dos materiais, possibilitam o desenvolvimento de variadíssimas soluções arquitetónicas e o seu processo de fabrico e execução é industrializado, rápido e prático, conduzindo a preços competitivos e à sustentabilidade ambiental, uma vez que os metais são, em teoria, infinitamente recicláveis.

Porém, as estruturas metálicas também apresentam vulnerabilidades, nomeadamente em relação a incêndios que possam ocorrer. Relativamente a outros materiais de construção, os metais possuem a desvantagem das suas características resistentes serem afetadas de forma negativa quando submetidos a grandes aumentos de temperatura.

Por esta razão, é crucial introduzir medidas de proteção passiva em estruturas metálicas, de forma a, em situação de incêndio, salvaguardar as vidas dos seus ocupantes e os bens materiais existentes. Estas medidas variam desde a compartimentação do edifício ao isolamento dos elementos estruturais, através da aplicação de técnicas e materiais que lhes concedam melhores propriedades resistentes ao fogo.

Consequências de incêndios em estruturas metálicas

O aumento da temperatura afeta substancialmente as propriedades térmicas e mecânicas dos metais, influenciando diretamente a integridade estrutural das construções. Particularmente, o aço é um dos mais utlizados em elementos com função de equilíbrio e resistência e, como tal, o dimensionamento da estrutura deve ter em consideração as suas características resistentes ao fogo.

A exposição do aço a altas temperaturas altera as suas propriedades físicas e químicas, provocando uma perda da rigidez e da capacidade de resistência. Outra característica desfavorável é a elevada dilatação térmica, uma vez que o aquecimento substancial de peças constituídas por aço provoca grandes deformações, podendo pôr em causa o equilíbrio global ou local da estrutura e levar ao seu colapso. O aço também possui uma elevada capacidade de armazenamento de calor ou energia (calor específico) e condutibilidade térmica e, por esta razão, os elementos estruturais (p/ex. vigas ou pilares) expostos ao fogo podem ajudar na transmissão das elevadas temperaturas e na propagação do incêndio a zonas do edifício ainda não afetadas.
 
Através da realização de ensaios verificou-se que a perda da capacidade resistente do aço, ou seja, a redução da sua tensão de cedência e do seu módulo de elasticidade, se dá gradualmente a partir dos 100-200ºC e aos 1500ºC dá-se a sua fusão. A temperatura crítica, ou seja, a temperatura a partir da qual o aço apresenta apenas cerca de 50% da sua resistência, pode ser calculada através do Eurocódigo 3 (EN 1993-1-2). No entanto, na eventualidade de não ser determinada, o mesmo documento recomenda valores entre os 350 e os 550ºC, dependendo da classe da secção e categoria do edifício. Sabe-se também que a temperatura crítica de elementos não protegidos pode ser atingida em apenas 20 a 30 minutos após o início do fogo, dependendo do tipo e da quantidade de material combustível disponível, e que as temperaturas máximas atingidas num incêndio podem ultrapassar em grande medida os 600ºC.

A proteção dos elementos estruturais metálicos é, portanto, essencial na mitigação dos efeitos de um incêndio, sendo necessário compensar os seus pontos fracos relativos às propriedades térmicas, em particular a condutibilidade.

Métodos de proteção passiva contra incêndio em estruturas metálicas

Existem diversos métodos de proteção passiva para estruturas metálicas e a sua escolha deverá ser efetuada tendo em conta diferentes critérios, nomeadamente os requerimentos de segurança contra incêndio, as exigências estéticas do projeto, a estabilidade estrutural da estrutura e as características particulares do aço e do perfil de cada elemento a proteger.
 

Compartimentação

A compartimentação corta-fogo consiste em fragmentar um edifício em diversos compartimentos, através de elementos (paredes, lajes e portas) com propriedades específicas de resistência ao fogo, nomeadamente resistência estrutural (R), estanquidade às chamas (E) e isolamento térmico (I). Os principais objetivos são os de, em caso de incêndio, evitar ou adiar a propagação de chamas, gases e fumos quentes para os compartimentos contíguos e criar zonas de evacuação seguras para os seus ocupantes e os bombeiros intervenientes, salvaguardando vidas humanas, a integridade do edifício e os bens materiais nele existentes.
 

Envolvimento total

O envolvimento total, tal como o nome indica, consiste em envolver completamente o elemento metálico (pilar ou viga) com um material resistente ao fogo, usualmente betão. Este método, porém, desvaloriza a ligeireza característica das estruturas metálicas devido ao espaço de aplicação necessário e ao peso dos materiais. Por esta razão, devem ser utilizados betões leves ou materiais análogos (p/ex. tijolo cerâmico) e o método deve ser aplicado em elementos que beneficiem das características resistentes destes materiais e sem prejudicar o equilíbrio estrutural do edifício, como por exemplo nos pilares de pisos inferiores.
 

Argamassas

Aplicação das argamassas pode ser manual ou por projeção, sendo este último o processo mais utilizado na colocação destes revestimentos resistentes ao fogo no perfil do elemento a proteger. O objetivo é envolver o elemento construtivo com uma argamassa que possua características adequadas de resistência ao fogo e permita retardar os efeitos das altas temperaturas no metal. A argamassa pode ser constituída por diversos materiais, de natureza cimentícea ou gesso, inertes de baixo peso como por exemplo a vermiculite e perlite e aditivos com capacidade de absorção térmica. Podem ser aplicadas no contorno do pilar, viga ou em caixão, com auxílio de uma rede metálica, quando necessário. Com espessuras variáveis consoante o tipo de produto, resistência ao fogo, temperatura crítica e características dos perfis, as camadas finais concedem ao elemento uma maior resistência ao fogo, uma vez que retardam o efeito das altas temperaturas através da baixa condutibilidade térmica.

Esta opção de proteção é aplicável normalmente quando as superfícies a proteger não têm exposição estética direta e onde a envolvente ambiental é classificada com baixos niveis de corrosividade, baixos niveis de humidade, baixa agressividade mecânica e inexistência de agressividade química. Algumas vantagens associadas às argamassas são a facilidade de envolvimento dos perfis, resistência e o isolamento acústico.
Esta solução, por outro lado, envolve materiais relativamente frágeis, produz alguns resíduos, o cálculo estrutural da estrutura tem que considerar o peso das argamassas na estrutura, aplicável apenas em obra, o controlo das espessuras mínimas associadas à proteção requerida poderá não ser homogénea e é apenas aplicável em locais de baixa exigência estética.

A aplicação das argamassas por projeção, em particular, torna a solução muito económica quando comparada com outras soluções de proteção contra incêndio.
 

Placas

Colocação de painéis pré-fabricados resistentes ao fogo em torno dos elementos estruturais a proteger. A espessura das placas varia em função das características do perfil a proteger, tais como a temperatura crítica e a massividade, e do tipo de produto e sua resistência ao fogo. Podem ser aplicados em caixão ou por ecrã e podem ser utilizados como paredes ou tetos falsos. Podem ser utilizados vários materiais, tais como silicato fibroso ou de cálcio, betão, fibrocimento, vermiculite, perlite, gesso, etc. e é necessário ter atenção especial às ligações entre os painéis e entre estes e os perfis metálicos.

As placas de proteção contra incêndio também possuem resistência ao impacto e à abrasão, permitem o isolamento acústico, a sua instalação é limpa e com poucos resíduos e podem ser instalados em edifícios já em utilização. Porém, apresentam a particularidade de possuir baixa flexibilidade, ocultar a estrutura metálica, da sua instalação ser demorada e introduzirem cargas desfavoráveis à estabilidade da estrutura, dependendo da espessura e material constituinte dos painéis.
 

Mantas

As mantas fibrosas resistentes ao fogo são outra alternativa de proteção passiva de elementos metálicos contra incêndios. O seu funcionamento é semelhante ao dos outros métodos, atuando como um revestimento de baixa condutibilidade térmica que atrasa os efeitos das altas temperaturas nos metais. Podem ser aplicadas em fase de utilização do edifício, sendo fixadas no contorno das vigas ou pilares, com o auxílio de pinos metálicos previamente soldados. Os materiais mais comuns são o silicato fibroso, as fibras cerâmicas e as fibras minerais, como a lã de vidro ou a lã de rocha.
Este método apresenta uma instalação limpa, com libertação de poucos resíduos, permite o isolamento acústico e as cargas introduzidas na estrutura são reduzidas.
 

Sistemas de Pinturas/Revestimentos Orgânicos Intumescentes

Aplicação de um sistema constituído por um revestimento de proteção intumescente no contorno dos elementos a proteger. O sistema é em geral constituído por um elemento primário, um revestimento intumescente e por pintura de acabamento, que, sob a ação do calor, aumenta de volume, formando uma camada de material termo isolante que protege as superfícies pintadas/revestidas e retarda o momento da temperatura crítica (entre 350º e 750, consoante os materiais).
Estes sistemas possuem propriedades especiais, nomeadamente baixa condutibilidade térmica, retardando os efeitos das altas temperaturas nos elementos protegidos. O nível da proteção através de tintas intumescentes depende do produto e da espessura aplicada.

Este método apresenta as vantagens de ser uma solução estética, não introduz cargas relevantes na estrutura, otimiza o espaço de construção, não produz resíduos significativos e, em fase de serviço, verifica-se a facilidade de manutenção e limpeza. Dependendo do tipos de produtos e constituição do sistema de pintura nos perfis metálicos é possível atribuir altas durabilidades e proteção anticorrosiva para niveis de corrosividade de alta agressividade quer aplicados no interior como no exterior. A aplicação dos sistemas de pintura intumescente, tal como na aplicação das argamassas intumescentes, requerem mão-de-obra especializada e procedimentos de controlo da aplicação para que sejam garantidas espessuras mínimas e uniformes do sistema para cumprimentos dos requisitos de proteção ao fogo e de proteção anticorrosiva das estruturas metálicas.

 Os sistemas de pintura permitem com facilidade a identificação de eventual necessidade de renovação, de forma a garantir a continuidade da resistência mecânica e química do revestimento a condições mais agressivas.
 

Sistema de Circulação de Água

Apesar de ser um procedimento pouco utilizado, é possível estabelecer um sistema de arrefecimento por circulação de água. Este método é particularmente útil na proteção de pilares que, devendo ser ocos, se encontram ligados nas suas extremidades a um sistema fechado de circulação de água, ligado a um ou mais reservatórios. Sucintamente, quando o edifício é atingido por um incêndio, este provoca o aumento substancial da temperatura da água e a sua ascensão. Inicia-se, assim, uma circulação natural, ou seja, a água com a temperatura mais elevada é afastada do pilar e é substituída por água mais fria, provocando o arrefecimento pretendido.

A água funcionará como elemento de arrefecimento do pilar e o reservatório permitirá manter o seu nível constante, a sua expansão e evaporação, devido ao aumento de temperatura, e a reposição de perdas.

Este sistema tem também a dupla funcionalidade de sistema de climatização, no entanto, implica um dimensionamento trabalhoso e custos elevados de execução. É também necessário evitar a corrosão interna dos pilares, através da aplicação de um material anti-corrosivo. No caso de este sistema ser aplicado em países frios, existe o risco de congelamento da água, pelo que o método não é aconselhado ou implica a utilização de produtos anticongelantes.

Características essenciais dos materiais de proteção

Os materiais a utilizar nas diversas metodologias de proteção passiva contra incêndio em estruturas metálicas devem conceder propriedades resistentes ao fogo aos elementos estruturais adequadas às necessidades de segurança pré-determinadas. Como tal os materiais devem ser escolhidos em função de:
  • Elevada temperatura de fusão;
  • Baixa condutibilidade térmica;
  • Baixa deformabilidade por ação do calor;
  • Boa capacidade de isolamento e aderência;
  • Resistência aos agentes atmosféricos, químicos, físicos, etc.

Manutenção Regulares

De modo a garantir que estas soluções cumprem a sua função em caso de incêndio, é fundamental assegurar que são sujeitas a manutenções regulares, por entidades devidamente registadas na Autoridade Nacional de Proteção Civil. Nestas ações deve haver especial atenção para eventuais danos causados nas proteções decorrente da utilização do edifício ou mesmo de alterações ao mesmo.

Quaisquer danos devem ser corrigidos com a maior brevidade possível, com o objetivo de repor o desempenho esperado, em termos de resistência ao fogo do elemento protegido.

A norma NP 4513 fornece orientações relativamente aos procedimentos mínimos que, anualmente, devem ser realizados aos revestimentos de proteção contra Incêndio:
  • Verificar se os revestimentos estão conforme as especificações técnicas aplicáveis e o projeto de SCIE
  • Verificar a existência de condições que possam ocasionar a deterioração ou dano dos revestimentos e, se possível, eliminar essas condições (p. ex. humidade ou outras condições identificadas pelo fabricante)Verificar a integridade dos revestimentos, nomeadamente no referente a empolamento, descamação, deterioração e manchas de humidade

Normas e Legislação em vigor

  • Decreto Lei n.? 220/2008, de 12 de novembro – Regime jurídico de segurança contra incêndios em edifícios, alterado pelo Decreto Lei n.? 224/2015, de 9 de outubro
  • Portaria n.? 1532/2008, de 29 de dezembro – Regulamento Técnico de Segurança contra Incêndio em Edifícios
  • Despacho n.? 2074/2009, de 15 de janeiro – Critérios técnicos para determinação da densidade de carga de incêndio modificada
  • NP EN 1990 – Eurocódigo – Bases de projetos de estruturas
  • NP EN 1991-1-2 – Eurocódigo 1 – Ações em estruturas – Parte 1-2 – Ações Gerais – Ações em estruturas expostas ao fogo
  • NP EN 1993-1-2 – Eurocódigo 3 – Projeto de estruturas de aço – Parte 1-2 – Regras gerais – Verificação da resistência ao fogo
  • EN 13501-2 – Norma europeia de classificação de resistência ao fogo dos elementos construtivos, quer sejam eles portantes e/ou de compartimentação
  • EN 13381-8 – Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members. Applied reactive protection to steel members