Quando o projeto ou a avaliação de estruturas de concreto foge dos padrões convencionais, as análises termoestruturais tornam-se indispensáveis para prever a resposta do material ao fogo com máxima precisão. Continue a leitura e entenda como essa metodologia avançada garante a segurança e a integridade dos seus ativos em cenários de incêndio.

INTRODUCTION

O dimensionamento de estruturas de concreto armado em situação de incêndio é tratado, no Brasil, pela NBR 15200, e internacionalmente por normas como a EN 1992-1-2. Ambas oferecem, como alternativa mais simples e amplamente utilizada, o chamado método tabular: a partir da combinação entre o tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF), a dimensão mínima da seção e o cobrimento nominal da armadura, é possível verificar rapidamente a adequação de elementos de concreto com geometrias e condições de exposição usuais.

O método tabular, contudo, foi calibrado para curvas de incêndio padronizadas e geometrias típicas de edificações, vigas, lajes e pilares expostos ao fogo por uma ou mais faces, sob curvas de aquecimento padrão. Quando a estrutura avaliada foge desse escopo, seja por geometria atípica, por condições de exposição térmica não convencionais, por cenários de incêndio específicos (com carga de incêndio, ventilação e geometria de compartimento particulares), ou pela necessidade de avaliar quantitativamente uma estrutura existente diante de uma hipótese de incêndio, o método tabular deixa de ser suficiente, e a própria normatização remete a métodos de cálculo avançado como alternativa.

É nesse contexto que se insere a análise termoestrutural: uma combinação de análise térmica transiente por elementos finitos e verificação estrutural com propriedades mecânicas degradadas pela temperatura, permitindo quantificar com maior precisão o desempenho de uma estrutura de concreto armado em condição de incêndio, real ou hipotética. Este artigo apresenta a metodologia por trás dessa ferramenta, discute em que situações ela agrega valor tanto no projeto quanto na avaliação de estruturas existentes, e ilustra sua aplicação por meio de um caso real de um túnel industrial.

Esse tipo de estudo dialoga diretamente com outras avaliações de integridade estrutural realizadas pela Kot Engenharia,  enquanto a avaliação forense pós-incêndio se apoia fortemente em inspeção visual e ensaios de campo e laboratório para caracterizar um dano já ocorrido, a análise termoestrutural permite investigar, de forma preditiva, cenários que ainda não aconteceram, ou complementar analiticamente a avaliação forense quando o acesso físico ao elemento é limitado.

FUNDAMENTOS NORMATIVOS: MÉTODO TABULAR VERSUS MÉTODOS AVANÇADOS

Tanto a NBR 15200 quanto a EN 1992-1-2 estruturam a verificação de estruturas de concreto em situação de incêndio em três níveis crescentes de complexidade e precisão: métodos tabulares (baseados em tabelas de dimensões mínimas e cobrimentos), métodos de cálculo simplificado (que permitem avaliar a capacidade resistente de uma seção transversal a partir de um perfil de temperatura simplificado) e métodos de cálculo avançado (que envolvem a modelagem numérica do desenvolvimento do incêndio, da transferência de calor e do comportamento estrutural).

O método tabular é atrativo por sua simplicidade, porém carrega premissas conservadoras e um escopo de validade limitado. Além disso, situações como elementos com geometria de seção não convencional, presença de múltiplas camadas de armadura ou protensão, elementos parcialmente enterrados ou confinados (como túneis, galerias e dutos), ou cenários de incêndio real distintos da curva-padrão (por exemplo, incêndios de hidrocarbonetos ou incêndios naturais com fase de resfriamento) frequentemente exigem uma verificação por métodos avançados para uma conclusão tecnicamente robusta. 

Uma das premissas mais relevantes por trás do método tabular é a adoção da curva de incêndio-padrão (curva tempo-temperatura ISO 834), que representa um incêndio de crescimento monotônico e não contempla, por exemplo, a fase de resfriamento característica de incêndios reais, tampouco cenários de maior severidade térmica, como os associados a incêndios de hidrocarbonetos (curva HC) ou incêndios naturais parametrizados em função da carga de incêndio e da ventilação disponíveis no compartimento. Assim, quando o cenário de interesse não é adequadamente representado pela curva-padrão, a definição de uma curva de incêndio específica, por meio de simulação fluidodinâmica computacional ou de curvas paramétricas normatizadas, passa a ser um insumo essencial da análise, e não apenas um refinamento opcional. 

Os métodos avançados, por sua vez, permitem incorporar o comportamento físico real dos materiais e da estrutura frente à temperatura, ao custo de uma modelagem numérica mais elaborada. Dessa maneira, é justamente nesse nível que se insere a análise termoestrutural discutida a seguir.

Vale ressaltar que a maior sofisticação dos métodos avançados também introduz maiores exigências quanto à qualificação da equipe responsável pela análise e quanto à validação dos modelos empregados. A confiabilidade dos resultados depende diretamente da correta calibração das propriedades térmicas e mecânicas dos materiais em função da temperatura, da adequação das condições de contorno adotadas nos modelos de CFD e de elementos finitos, e do julgamento de engenharia na interpretação dos resultados, a análise termoestrutural complementa, mas não substitui, a experiência técnica do avaliador.

METODOLOGIA DA ANÁLISE TERMOESTRUTURAL

Definição do cenário de incêndio

A primeira etapa da análise consiste na definição do cenário de incêndio a ser avaliado, por meio de simulação fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics – CFD). Dessa forma, esta ferramenta permite reproduzir numericamente o desenvolvimento do incêndio a partir de parâmetros como a carga de incêndio disponível, a taxa de liberação de calor (heat release rate), a geometria do ambiente e as condições de ventilação, natural ou forçada, como sistemas de exaustão em túneis e ambientes confinados.

Figuras 1 e 2: Exemplo de perfil de temperatura obtido por simulação fluidodinâmica computacional (CFD) de um cenário de incêndio.

Como resultado da simulação, obtém-se um perfil de temperatura dos gases ao longo do tempo e da posição no ambiente, permitindo identificar as regiões da estrutura mais expostas ao calor e as condições de contorno (convecção e irradiação) a serem aplicadas na etapa seguinte. Além disso, em ambientes com ventilação forçada, como túneis com sistemas de ventiladores, a simulação também é útil para identificar zonas de recirculação de fumaça e gases quentes, tipicamente mais críticas do ponto de vista térmico.

Análise térmica transiente

Em seguida, a partir do perfil de temperatura dos gases obtido na etapa anterior, é elaborado um modelo de elementos finitos de uma seção representativa do elemento estrutural de interesse, por exemplo, um segmento representativo de uma laje, viga ou revestimento de túnel. Este modelo permite calcular a evolução da temperatura ao longo da profundidade da peça de concreto ao longo do tempo de exposição, por meio da análise de transiente térmico.

Figura 3 e 4: Modelo de elementos finitos de seção representativa para análise de transiente térmico.

Para isso, são necessárias as propriedades térmicas do concreto em função da temperatura, calor específico, condutividade térmica e densidade, tipicamente obtidas dos anexos normativos aplicáveis [1, 2]. Além disso, em elementos com armadura significativa em relação à seção (como perfis metálicos embutidos), pode ser necessário representar explicitamente estes elementos no modelo térmico, uma vez que sua presença altera a resposta do gradiente de temperatura na região.

Figuras 5 e 6: Perfil de temperatura obtido por meio da análise de transiente térmico da seção.

Verificação estrutural com propriedades degradadas

Posteriormente, com o perfil de temperatura ao longo da profundidade da seção transversal em mãos, a etapa final da análise consiste na verificação da capacidade resistente remanescente do elemento. Para isso, a seção transversal é discretizada em camadas ou fibras, cada uma associada à temperatura obtida na análise térmica, e as propriedades mecânicas do concreto e do aço são degradadas de acordo com curvas tensão-deformação dependentes da temperatura, também definidas nos anexos normativos.

Figura 7, 8 e 9: Diagrama de interação momento-normal (M-N) de seção de concreto armado considerando propriedades mecânicas degradadas pela temperatura.

Assim, a partir dessa seção com propriedades degradadas, constroem-se diagramas de interação momento-normal (M-N), que permitem comparar a capacidade resistente da seção na condição de incêndio com os esforços solicitantes de projeto, resultando em um índice de utilização (I.U.) para cada combinação avaliada. Um índice de utilização superior a 100% indica não conformidade da seção na condição de incêndio simulada, exigindo medidas de proteção adicionais ou reforço estrutural. Esse processo é conceitualmente análogo à verificação de uma seção de concreto armado em temperatura ambiente, com a diferença de que cada fibra da seção passa a ter uma resistência e um módulo de elasticidade distintos, função da temperatura local, tornando o problema não linear e dependente da história de temperatura ao longo da espessura da peça.

Além disso, um fenômeno que merece atenção especial nesta etapa é o desplacamento explosivo do concreto (‘explosive spalling’), caracterizado pela fragmentação violenta da camada superficial da peça, atribuída à combinação entre o acúmulo de pressão de vapor nos poros do material, mais relevante em concretos com elevado teor de umidade e baixa permeabilidade, e as tensões térmicas de restrição à dilatação diferencial. Por isso, estruturas tipicamente úmidas ou confinadas, como túneis, galerias e obras enterradas, são mais suscetíveis a esse fenômeno, e sua ocorrência deve ser avaliada como um cenário adicional, considerando a perda do cobrimento e a exposição direta da armadura às temperaturas mais elevadas 

Figura 10, 11 e 12: Diagrama de interação momento-normal (M-N) de seção de concreto armado considerando propriedades mecânicas degradadas pela temperatura e explosive spalling.

QUANDO A ANÁLISE TERMOESTRUTURAL AGREGA VALOR

A análise termoestrutural é particularmente útil em quatro situações típicas. Primeiramente, na fase de projeto de estruturas novas com geometria atípica ou fora do escopo de validade do método tabular, como túneis, silos, tanques e lajes de reduzida espessura, permite justificar tecnicamente o desempenho da estrutura em condição de incêndio sem recorrer a premissas excessivamente conservadoras, otimizando o dimensionamento sem comprometer a segurança.

Além disso, na reavaliação de estruturas existentes diante de cenários hipotéticos de incêndio, motivada, por exemplo, por mudança de uso, aumento de carga de incêndio, exigências de seguradoras ou de programas de gestão de integridade estrutural, possibilita quantificar o desempenho da estrutura frente a um evento que ainda não ocorreu, subsidiando decisões sobre a necessidade de proteção passiva adicional, compartimentação ou reforço estrutural.

Como complemento a avaliações forenses após incêndios reais, especialmente quando o acesso físico ao elemento é limitado ou quando os ensaios de campo e laboratório não são suficientes para caracterizar toda a extensão do dano, por exemplo, em elementos parcialmente inacessíveis ou quando se deseja confirmar analiticamente a redistribuição de esforços entre trechos danificados e trechos íntegros de um mesmo elemento.

Por fim, na verificação específica de fenômenos como o desplacamento explosivo em elementos com elevado teor de umidade, situação para a qual o método tabular não oferece critérios de verificação direta.

Todavia, é importante reforçar que a análise termoestrutural não é uma ferramenta de aplicação universal: para estruturas com geometria convencional, submetidas a cenários de incêndio-padrão e dentro do escopo de validade das tabelas normativas, o método tabular permanece a alternativa mais eficiente, tanto em termos de custo quanto de prazo. Portanto, a opção pela análise avançada deve ser proporcional à complexidade e à criticidade do elemento avaliado.

CASO ILUSTRATIVO

A título de exemplo, a Kot Engenharia conduziu uma análise termoestrutural para avaliar o desempenho de um túnel industrial de grande extensão, utilizado para a passagem de tubulações, veículos e pessoas, frente a cenários hipotéticos de incêndio em seu interior. O revestimento do túnel, em concreto armado, apresentava três seções típicas distintas ao longo do seu traçado, associadas a diferentes classes de maciço rochoso atravessado.

Figura 13: Seções típicas de revestimento de um túnel avaliadas quanto ao desempenho estrutural em condição de incêndio.

Inicialmente, foram conduzidas simulações fluidodinâmicas computacionais para identificar a posição mais crítica de ocorrência do incêndio, considerando a influência do sistema de ventiladores instalado ao longo do túnel. Em seguida, a partir do perfil térmico obtido, modelos de elementos finitos das três seções típicas de revestimento foram avaliados quanto à evolução da temperatura ao longo da profundidade do concreto, e as respectivas seções transversais foram verificadas estruturalmente com as propriedades mecânicas degradadas pela temperatura, incluindo a avaliação específica do fenômeno de desplacamento explosivo, dada a elevada umidade tipicamente presente neste tipo de estrutura.

Como resultado, os trechos de revestimento permaneciam em conformidade normativa na condição de incêndio avaliada, exceto quando considerado o desplacamento explosivo ao longo de um trecho representativo de uma das seções, na qual o dimensionamento original já era realizado próximo da solicitação máxima de projeto. Ainda assim, o risco de ruína foi considerado baixo, tendo em vista a possibilidade de redistribuição de esforços com os trechos adjacentes menos afetados, viabilizada pela continuidade longitudinal das armaduras, uma consideração explicitamente permitida pela norma de referência e que só pode ser fundamentada de forma robusta por meio de uma análise deste tipo.

Em suma, o estudo concluiu que a proteção passiva ao fogo inerente ao próprio cobrimento de concreto era suficiente para a manutenção da integridade da estrutura nos cenários avaliados, sem necessidade de sistemas adicionais de proteção ativa, além daqueles já assumidos como premissa na simulação fluidodinâmica. Além disso, o estudo recomendou que a mantenedora do ativo avaliasse periodicamente a possibilidade de ocorrência de cenários de incêndio mais severos, com temperaturas mais elevadas ou maior duração, uma vez que tal mudança de premissa poderia demandar a reavaliação da estrutura para um cenário específico mais crítico.

LIMITAÇÕES E BOAS PRÁTICAS

Apesar de seu potencial, a análise termoestrutural está sujeita a algumas limitações que devem ser consideradas na interpretação dos resultados. As propriedades térmicas e mecânicas dos materiais em altas temperaturas, obtidas de tabelas normativas, representam valores de referência que podem não capturar integralmente a variabilidade de materiais e condições específicas de cada estrutura. Da mesma forma, a definição do cenário de incêndio, sobretudo em análises preditivas de cenários hipotéticos, envolve premissas que devem ser cuidadosamente alinhadas com o contratante e, quando possível, calibradas com dados reais de carga de incêndio e ventilação do ambiente avaliado.

Por isso, recomenda-se que a análise termoestrutural seja conduzida por equipe com experiência tanto em simulação numérica quanto em projeto e avaliação de estruturas de concreto armado, e que seus resultados sejam sempre interpretados à luz do julgamento de engenharia, de forma similar ao que se recomenda para os ensaios não destrutivos empregados em avaliações forenses.

CONCLUSION

A análise termoestrutural é uma ferramenta de cálculo avançado que permite avaliar, com maior precisão do que os métodos tabulares tradicionais, o desempenho de estruturas de concreto armado em condição de incêndio — seja no projeto de estruturas com geometrias atípicas, na reavaliação de estruturas existentes frente a cenários hipotéticos, como complemento a avaliações forenses após incêndios reais, ou na investigação de fenômenos específicos como o desplacamento explosivo do concreto.

Ao combinar simulação fluidodinâmica computacional, análise térmica transiente e verificação estrutural com propriedades degradadas pela temperatura, essa metodologia permite fundamentar tecnicamente decisões de projeto e de gestão de ativos que, de outra forma, dependeriam de premissas excessivamente conservadoras ou de julgamentos de engenharia pouco quantificáveis. Para isso, a Kot Engenharia conta com equipe de especialistas capacitados para conduzir análises termoestruturais e desenvolver soluções de engenharia adequadas para o projeto e a avaliação de estruturas de concreto em condição de incêndio. Consulte nossa equipe de especialistas para saber mais!

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PERGUNTAS FREQUENTES

1) O que é uma análise termoestrutural de estruturas de concreto?

É um método de cálculo avançado que combina análise térmica por elementos finitos (FEM) e verificação estrutural, podendo ser complementada por simulações fluidodinâmicas computacionais (CFD). Essa metodologia calcula o perfil de temperatura ao longo da seção e avalia a capacidade resistente do elemento com suas propriedades mecânicas degradadas pelo calor.

2) Qual a diferença entre o método tabular e os métodos de cálculo avançado?

• Método tabular: Utiliza tabelas normativas com dimensões e cobrimentos mínimos, sendo válido apenas para geometrias convencionais e curvas de incêndio padronizadas (ISO 834).

• Métodos avançados (termoestruturais): Simulam o comportamento físico real da estrutura e dos materiais sob qualquer cenário térmico, geometria ou condição de ventilação.

3) Quando a análise termoestrutural é recomendada? 

A análise é indicada em quatro cenários principais:

• Projetos de estruturas com geometria atípica ou confinada (túneis, silos, tanques e galerias).

• Reavaliação preditiva de estruturas existentes frente a cenários hipotéticos de incêndio.

• Complemento analítico a avaliações forenses pós-incêndio.

• Verificação do risco de desplacamento explosivo do concreto (explosive spalling).

4) O que é o fenômeno de desplacamento explosivo (explosive spalling)? 

É a fragmentação violenta da camada superficial do concreto provocada pelo acúmulo de pressão de vapor nos poros e por tensões de dilatação térmica. É crítico em estruturas úmidas ou confinadas, pois expõe diretamente as armaduras às temperaturas mais elevadas.

5) Como o fogo afeta a capacidade resistente do concreto armado? 

O calor degrada gradualmente as propriedades mecânicas do aço e do concreto, reduzindo o módulo de elasticidade e a resistência à compressão/tração. A análise termoestrutural mapeia essa perda de resistência por meio da avaliação estrutural considerando com propriedades mecânicas degradadas. 

REFERÊNCIAS

[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15200: Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio, 2024.

[2] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. EN 1992-1-2: Design of concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design, 2004.

[3] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimento, 2024.

[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8681: Ações e segurança nas estruturas – Procedimento, 2025.

[5] BORGERSON, J.; WHITE, J. Nondestructive Evaluation of Fire-Damaged Reinforced Concrete. Concrete International, American Concrete Institute