Dimensionamento ao fogo de betão na 2.ª geração do Eurocódigo 2

O primeiro é estudar a própria norma: o que mudou desde 2004, que pressupostos tabelados continuam a aplicar-se e onde encontrar os métodos atualizados. Ou, mais simplesmente, pode deixar o trabalho mais difícil para o IDEA StatiCa e explorar as alterações com o IDEA StatiCa Section.

Primeiro, vamos analisar a nova edição para que a possa abordar com confiança. Depois, vamos aplicar a segunda opção a uma viga pré-fabricada real, mostrando como o processo pode ser facilmente automatizado. (Os números das cláusulas referem-se à EN 1992-1-2:2023, salvo indicação de 2004.)

O que mudou nas normas - Resistência ao fogo

1. Os quadros mantêm-se, mas as regras que os rodeiam tornam-se mais restritivas.

Os dados tabelados continuam a ser a via rápida e conservativa, enquanto os métodos de cálculo se destinam aos elementos que os quadros não abrangem. A edição de 2023 mantém esta abordagem, mas clarifica os limites: os resultados tabelados são geralmente considerados favoráveis à segurança relativamente aos ensaios e aos métodos simplificados ou avançados, e não é permitida a extrapolação para além do intervalo indicado (cl. 6.1(2)).

O objetivo é também que as três abordagens funcionem em conjunto de forma mais consistente. O prefácio confirma que as disposições tabeladas foram atualizadas para alinhar os métodos tabelado, simplificado e avançado.

A que estão calibrados os quadros?

As dimensões mínimas dos quadros baseiam-se em pressupostos fixos. Os principais valores de referência mantêm-se, em grande parte, inalterados:

• ηfi = 0,7 — o nível de carga de referência (2004, cl. 5.2(3); 2023, cl. 6.2(1)).
• 500 °C — a temperatura crítica da armadura para elementos simplesmente apoiados sujeitos a flexão, correspondente a cerca de 0,60 fyk com ηfi = 0,7 e γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, cl. 6.2(3), Nota 1).

Existem, no entanto, duas alterações notáveis:

1. Condutibilidade térmica: a edição de 2004 permitia a utilização dos dados em todo o intervalo admissível de condutibilidade térmica. A edição de 2023 estabelece uma única função de condutibilidade térmica.
2. ηfi: em 2004, um Anexo Nacional podia modificar este valor (2004, 5.2(3), Nota). Em 2023, ηfi = 0,7 é fixo na cl. 6.2(1).

A mesma cláusula exige também que os dados tabelados sejam corrigidos quando os pressupostos de base não se aplicam, e exclui a sua utilização quando os coeficientes dos materiais tenham sido modificados ao abrigo do Anexo A da EN 1992-1-1.

2. O teor de humidade deixa de ser apenas uma percentagem — passa a fazer parte do processo de decisão.

O princípio básico mantém-se igual em ambas as edições: a lascagem severa deve ser evitada, ou o seu efeito no desempenho deve ser tido em conta.

No entanto, a forma de tratar a humidade mudou:

• 2004: a lascagem explosiva estava associada a um limite de humidade expresso em percentagem em peso, sendo o valor recomendado definido pelo Anexo Nacional.
• 2023: a percentagem fixa desapareceu. O teor de humidade é agora considerado em conjunto com outros fatores que podem influenciar a lascagem, incluindo a exposição, a carga, a restrição, a geometria, os agregados, as adições, o teor de ar, as fibras, a permeabilidade e a resistência.

A edição de 2023 introduz também um quadro de decisão (Quadro 10.1) específico. Este associa a avaliação a quatro dados de entrada principais: período de resistência ao fogo, condição de humidade, resistência do betão e teor de sílica de fumo.

Por outras palavras, a humidade deixa de ser um valor único a verificar — é apenas uma parte de uma avaliação mais ampla da lascagem.

3. A isotérmica de 500 °C desaparece — e os gráficos de temperatura dão lugar a expressões.

A edição de 2004 apresentava dois métodos de secção transversal reduzida no Anexo B informativo, o método da isotérmica de 500 °C e o método das zonas (2004, 4.2.3, B.1.1(3) a (4), B.2(3)). O texto de 2023 não contém o método da isotérmica de 500 °C, e a sua cláusula 7.3.2 utiliza apenas a lógica do método das zonas.

Porque é que os resultados mudam através da Parte 1-1 – A EN 1992-1-2 é redigida como um complemento ao cálculo à temperatura normal. Identifica as diferenças ou os acrescentos relativamente à EN 1992-1-1 e cita a edição de 2023 dessa norma como referência normativa datada (cl. 1.1(1)).

Esta ligação é particularmente clara na verificação simplificada à flexão:

• MRd,fi é válido, exceto se As,prov/As,req > 1,3 (cl. 7.3.3.2, Expressão 7.18).
• Tanto MEd como As,req provêm da EN 1992-1-1.
• O método de 2023 calcula a média da resistência reduzida pela temperatura ao longo de cada uma das varões tracionados.

O que mais mudou?

A própria EN 1992-1-1 mudou. A segunda geração traz regras revistas para o corte e a torção, um âmbito mais alargado que abrange pontes, estruturas de retenção de líquidos e de contenção, reforço com CFRP e betão reforçado com fibras de aço, além de novos anexos para a avaliação e o reforço de estruturas existentes.

O corte e a torção passam de um anexo informativo para o texto principal. Em 2004, o método de cálculo para o corte, a torção e a ancoragem constava do Anexo D informativo, que incluía uma nota a indicar que as roturas por corte devidas ao fogo são muito raras e que os métodos apresentados não estavam totalmente verificados (2004, Anexo D). A edição de 2023 coloca o corte e a torção na cláusula 7.3.5, no âmbito dos métodos de cálculo simplificados, e transfere a ancoragem para as disposições construtivas, onde os comprimentos de ancoragem e de sobreposição em situação de incêndio podem ser considerados iguais aos valores à temperatura ambiente (cl. 9.2(1)).

A via tabelada não se altera a este respeito. Quando se respeitam as dimensões mínimas da cláusula 6, podem omitir-se verificações adicionais de corte, torção e ancoragem (cl. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). A alteração diz respeito aos elementos verificados por cálculo. A cláusula 7.3.5 distingue dois casos:

• Elementos com armadura de corte (cl. 7.3.5.3). Aplica-se a secção reduzida da cl. 7.3.2, e a resistência do betão é considerada no ponto M. A resistência dos estribos é reduzida utilizando a temperatura no ponto P, a interseção do estribo com a secção a meia altura da alma. (Ver a figura abaixo) Os métodos de corte da EN 1992-1-1 são depois aplicados à secção reduzida. Em lajes fungiformes, os estribos verticais ou pernos só são considerados quando intersetam a superfície de rotura de controlo na geometria reduzida, e a torção segue a mesma lógica (cl. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Elementos cuja resistência ao corte depende da resistência do betão à tração (cl. 7.3.5.2). Os elementos pré-esforçados e os elementos de betão simples ou pouco armados exigem uma consideração especial das tensões de tração provocadas por distribuições de temperatura não lineares, por exemplo em lajes aligeiradas e vigas de grande espessura. Caso contrário, a resistência à tração é ignorada e, quando é utilizada, a redução segue as Expressões (5.21) e (5.22) (cl. 5.3.1.2).

Nova edição, nova estrutura: onde encontrar o que precisa

E depois há as novidades

• Redução das escolhas nacionais – O prefácio de 2004 enumera dezasseis cláusulas sujeitas a escolha nacional. O prefácio de 2023 enumera três cláusulas. Deixam de ser escolhas nacionais: o intervalo de condutibilidade, o limite de humidade, o limite de excentricidade do Método A, o nível de carga de referência ηfi e a decisão sobre a possibilidade de utilização de métodos avançados. (2023 0.5; 2004 prefácio, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Método A, excentricidade – A excentricidade de primeira ordem em situação de incêndio é limitada a um quarto da dimensão da secção e é fixada na norma. O valor recomendado em 2004 era 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Fase de arrefecimento – As expressões fornecem a resistência do betão aquecido até uma temperatura máxima e arrefecido novamente até 20 °C. O texto de 2004 limitava-se a indicar que não se deve contabilizar um eventual ganho de resistência durante o arrefecimento. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

A abordagem da IDEA StatiCa: verificação de secções hoje e no futuro

O que o RCS abrange

A aplicação IDEA StatiCa RCS responde rapidamente a uma questão: a secção cumpre os dados tabelados? Convém definir este limite com precisão, porque é aqui que a segunda geração separa a via tabelada das vias de cálculo. A resistência ao fogo no RCS está disponível para lajes, paredes, vigas, pilares e pilares esbeltos. A funcionalidade é selecionada no assistente do projeto como Resistência ao fogo EN 1992-1-2:2006-11.

• Pilares – Método A e Método B
• Vigas – Apenas secções retangulares, em T e em I. É necessário distinguir vigas de tramo único de vigas contínuas e, no caso de uma viga contínua, definir a posição da secção ao longo da viga, o que tem um impacto significativo na verificação. Os valores verificados são a largura da alma e a distância entre a camada exterior de armadura e a superfície exposta mais próxima.
• Lajes – Lajes armadas numa direção e em duas direções, laje contínua apoiada em paredes e laje contínua apoiada em pilares.
• Paredes – Paredes resistentes e paredes não resistentes

Porque recorrer a quadros quando se pode calcular a temperatura real?

Os quadros são uma forma rápida de verificar a resistência ao fogo, mas abrangem apenas formas de secção, dimensões, distâncias ao eixo e condições de incêndio específicas. 

Isto funciona em projetos novos, nos quais se pode ajustar a secção se esta não verificar. No entanto, nos elementos existentes a geometria já está fixada — e uma secção que fique a apenas alguns milímetros do quadro não tem solução baseada em quadros.

É aqui que o cálculo do campo de temperaturas real faz a diferença. Em vez de recorrer a valores predefinidos, pode calcular-se a forma como o calor se propaga na secção real e utilizar essas temperaturas para verificar a sua capacidade resistente. A aplicação Section faz exatamente isso — analisa a secção real e a disposição da armadura e verifica depois a sua resistência ao fogo com base nas temperaturas calculadas.

O que a nova aplicação Section acrescenta

Veja um exemplo de uma viga de cobertura no Section. Uma verificação por quadros dá uma resposta de sim ou não para uma distância ao eixo. Com a aplicação Section, a mesma secção devolve uma utilização. Para ver o aspeto do método avançado num elemento real, analisámos uma viga de cobertura na aplicação Section (BETA). A situação de incêndio é ativada no mesmo projeto que as verificações à temperatura normal, pelo que não existe um segundo modelo. Os efeitos das ações em situação de incêndio são introduzidos como um grupo separado, distinto dos efeitos ULS e SLS, porque os esforços internos em situação de incêndio diferem dos esforços à temperatura normal.

A secção modelada é uma viga em I pré-fabricada com 1140 mm de altura, com vários diâmetros de varões e uma disposição otimizada para as necessidades do fabricante. A classe de resistência ao fogo é R60; a curva de incêndio é a curva de incêndio padrão da EN 1991-1-2; e as faces expostas ao fogo são a inferior, a esquerda e a direita. O utilizador escolhe as faces expostas entre quatro opções (superior, inferior, esquerda, direita – ver as figuras abaixo), e a aplicação determina os bordos efetivamente expostos, desenhados a vermelho, incluindo nos cantos reentrantes, como as zonas de junção entre alma e banzo. A secção é a secção a meio vão, e o seu carregamento no exemplo é apenas por momento fletor.

Distribuição de temperaturas – A aplicação gera na secção uma malha mais refinada e calcula o campo de temperaturas em incrementos de tempo até 60 minutos (60 minutos neste caso, até 240 minutos no total). No mapa de calor, a face inferior e os cantos inferiores são as zonas mais quentes, e a temperatura diminui acentuadamente em direção ao centro da alma. A vista de dados apresenta a temperatura dos elementos de betão e de cada varão individual. Por exemplo, o varão do canto inferior atinge 480 °C, enquanto os varões a meio do banzo superior estão praticamente à temperatura ambiente. Um quadro não consegue mostrar esta variação; trabalha com uma única distância nominal ao eixo.

A partir destas temperaturas, a aplicação determina as propriedades reduzidas dos materiais, utilizando coeficientes de redução para a resistência do betão, a tensão de cedência e o limite de proporcionalidade da armadura, e o módulo de elasticidade. Utiliza os coeficientes de redução da EN 1992-1-2. O mapa de coeficientes mostra o que condiciona efetivamente a verificação. Nesta viga, o varão mais baixo mantém 60% da sua tensão de cedência, e o betão nos cantos do banzo inferior mantém cerca de 6% da sua resistência. Por último, mas não menos importante, a aplicação Section utiliza fórmulas para facilitar a interpretação do resultado. Por exemplo, a verificação à flexão corresponde à mesma resposta que à temperatura normal, avaliada agora com as resistências reduzidas.

Conclusão

Quer o engenheiro leia diretamente a segunda geração da EN 1992-1-2, quer deixe o software fazer o trabalho, o ponto de partida é o mesmo. Os dados tabelados continuam a ser a verificação rápida e favorável à segurança para elementos novos e regulares. Para quem trabalha com a norma, as alterações apresentadas acima mostram onde as regras de 2023 diferem da edição de 2004. Quando o quadro não verifica ou não se aplica, a norma remete para os métodos de cálculo avançados, e a aplicação Section executa essa via: determina a temperatura de cada varão e de cada elemento de betão, aplica as propriedades reduzidas dos materiais e devolve uma utilização em vez de um resultado de verifica/não verifica. Por refletir o comportamento real da secção, constitui uma alternativa conveniente, rápida e precisa à via tabelada.