5.1 – Objetivos
Neste capítulo pretende-se:
Descrever a metodologia experimental que será utilizada para estudar o
comportamento ao fogo dos blocos de betão leve;
Apresentação do equipamento necessário para a realização do ensaio;
Modelação numérica do comportamento ao fogo dos blocos;
Comparação dos resultados obtidos experimentalmente e através da modelação númerica.
5.2 – Introdução
O estudo do comportamento ao fogo tem vindo a ser desenvolvido ao longo dos anos, isto porque existe a necessidade de conhecer qual o comportamento dos materiais aplicados nas diversas soluções construtivas. Por este motivo torna-se importante estudar o comportamento ao fogo dos blocos de betão leve á base de caroço de espiga de milho por forma estudar a viabilidade de aplicação em obra.
Neste capítulo é apresentado o trabalho desenvolvido tendo em vista o estudo experimental e a modelação numérica experimental do comportamento ao fogo dos blocos de betão leve.
O estudo experimental realizado segundo a Norma Europeia EN 1363-1, 1999 (Fire resistance testes – part 1: general requirements) [27].
Neste capítulo também é apresentado todo o procedimento de ensaio, bem como os equipamentos envolvidos durante todo o processo.
Para cada ensaio de resistência ao fogo foram utilizados dois blocos de cada tipo (A e L). É importante referir que inicialmente havia a intenção de ensaiar os três tipos de blocos, mas como os dois primeiros ensaios mostraram resultados semelhantes e uma vez que o bloco do tipo G é igualmente constituído por caroço de espiga de milho, tal
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como o tipo L, mas com diferentes dosagens de cimento, é de esperar que os resultados sejam análogos.
5.3 – Ensaio experimental
Através deste ensaio é possível avaliar a resistência ao fogo dos blocos de betão leve em estudo neste trabalho. Inicialmente estava previsto ensaiar 12 blocos no total sendo quatro de cada tipo A, G e L.
Estava previsto repetir o ensaio 2 vezes para cada tipo de blocos num total de 2 blocos para cada ensaio e tipo de bloco, pois pretendeu-se que a junção dos dois blocos simula- se uma parede.
A análise do ensaio é feita pela comparação entre a curva de incêndio normalizada (teórica) e a curva medida por um termopar de placa existente no interior do forno (valor de referência), no pressuposto de uma distribuição de temperatura quase uniforme [28].
5.3.1 – Condições de ensaio
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Estruturas e Resistência dos Materiais situado no Instituto Politécnico de Bragança (IPB). Na Figura 5.1 apresenta-se a localização do laboratório utilizado e o forno onde foram realizados os ensaios.
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Figura 5.1 - Localização do local onde se realizaram os ensaios de resistência ao fogo.
Foram ensaiados quatro blocos, dois blocos ao tipo A e dois do tipo L, tal como já foi anteriormente referido. Os blocos a ensaiar apresentam-se na Figura 5.2.
Figura 5.2 - Blocos utilizados nos ensaios.
Cada ensaio foi realizado para dois blocos do mesmo tipo colocados um a seguir ao outro, com a finalidade de simular uma parede tal como se mostra na Figura 5.3.
Figura 5.3 - Posicionamento dos blocos na câmara.
5.3.2 – Equipamento utilizado
De acordo com a norma EN 1363-1 [27], os equipamentos necessários à realização de um ensaio de resistência ao fogo são, essencialmente:
Um forno de resistência adequado à avaliação da resistência de elementos de construção quando expostos às condições de temperatura e pressão exigidos pela norma.
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Equipamento de controlo, que permita regular a temperatura dentro do forno, de acordo com as especificações contidas na norma;
Equipamento para controlar e monitorizar a pressão dos gases dentro do forno;
Um bastidor no qual seja possível construir o elemento a testar e onde se verifiquem as condições de adaptação ao forno, para que os requisitos de aquecimento, pressão e suporte da amostra sejam os apropriados;
Equipamento para a medição da temperatura no interior do forno e na face não
exposta da amostra e, para os casos em que haja necessidade, no interior da amostra;
Equipamento para a medição da deformação da amostra em teste;
Equipamento capaz de avaliar o isolamento às chamas e gases e o cumprimento
dos critérios de comportamento;
Aparelho para a medição do tempo decorrido;
Equipamento de medição da concentração de oxigénio e de gases no interior do
forno.
Nos ensaios realizados neste trabalho apenas alguns desses equipamentos foram utilizados. Os equipamentos que foram utilizados encontram-se devidamente apresentados nos pontos que se seguem. No enquadramento das condições de ensaio verificadas na realização dos ensaios, a ausência dos equipamentos em nada influenciaram os resultados pretendidos.
5.3.2.1 – Forno de resistência
O forno de resistência utilizado possui um volume útil de 1m3, e é constituído por 4 queimadores Kromschröder referência BIOA 65HM-100/35-72/8, de potência máxima igual a 90kW cada, Figura 5.4 [28].
A geometria e a forma dos fornos utilizados para a realização dos ensaios não se encontram definidas por qualquer norma. O forno utilizado no ensaio de resistência ao
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fogo cumpre os requisitos definidos na norma EN 1363-1, [27], no que toca aos desvios máximos admissíveis para o valor da temperatura medida dentro do equipamento.
Figura 5.4 - Forno resistente utilizado no ensaio.
5.3.2.2 – Termopares
Um termopar é um sensor baseado no efeito termoelétrico que serve para medir a temperatura. Estes elementos são constituídos por dois filamentos de metais de natureza distinta ou ligas de composição diferente. Numa das extremidades os filamentos são soldados e na outra é fechado o circuito.
Os diferentes tipos de termopares utilizados neste trabalho foram:
Termopar de fio;
Termopar de placa;
Termopar de disco.
Os termopares de fio são constituídos por dois metais ligados na sua extremidade, Figura 5.5. Estes termopares possuem uma apresentação mais simples e são de pequenas dimensões. A sua estrutura permite colocá-los em zonas interiores das amostras. Os termopares de fio não são colocados diretamente em contato com o fogo uma vez que este os danifica com grande facilidade [29].
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Figura 5.5 - Termopar de fio.
No interior do forno de resistência existe um termopar de placa tal como é possível observar na Figura 5.6. Um termopar de placa serve para registar a temperatura no local onde este se encontra colocado. A placa é constituída por uma chapa grossa em aço dobrado. É nessa chapa que se encontra fixado um par termoelétrico coberto por material isolante. É por isso mais resistente que um termopar de fio [29].
Figura 5.6 - Termopar de placa.
Os termopares de disco ou termopares de face não exposta são um tipo de termopar que serve para medir a temperatura de faces não expostas à ação do fogo. Tem como finalidade a obtenção das temperaturas nas faces que não se encontram diretamente sujeitas ao fogo, para que seja possível a comparação entre as temperaturas da face exposta e da não exposta. Para que o contacto térmico seja o melhor, os fios do termopar são soldados ou fortemente unidos a um disco de cobre. No momento da sua aplicação na amostra são cobertos com uma placa de material isolante, Figura 5.7.
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Figura 5.7 - Aplicação de termopares de disco numa placa de fibra compactada.
5.3.2.3 – Placas de fibra compactadas
As placas de fibra compactadas são painéis de lã de rocha, constituídos por fibras minerais de rochas vulcânicas, nomeadamente o basalto e o calcário, Figura 5.8. Este tipo de material é utilizado como isolante pois é fortemente resistente à ação do fogo, possui grandes propriedades de isolamento térmico e acústico. É um dos poucos materiais que pode ser sujeito a elevadas variações de temperaturas.
O único problema que pode aparecer num ensaio em geral com a utilização deste tipo de materiais é que pode surgir o aumento do fator de condutividade térmica com a temperatura e, mais drasticamente com o nível de humidade devido à capacidade de absorção de água que este material possui.
As placas de fibra compactadas são materiais de fácil manuseamento.
No presente trabalho as placas de fibra compactadas foram colocadas envolvendo a “parede” de modo a que apenas uma face da parede ficasse diretamente exposta à ação do fogo no interior do forno, Figura 5.9.
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Figura 5.9 - Amostra envolvida por placas de fibra compactadas.
5.3.2.4 – Sistema de aquisição de dados
O forno de resistência, é o local onde decorre o ensaio, tal como já foi referido no ponto 5.3.2.3. A amostra é colocada no forno ficando apenas com uma face exposta e é submetida a aquecimento constante.
Os dados necessários à avaliação da amostra em estudo são registados em sistemas de aquisição de dados usando software próprio, estando os termopares ligados a estes equipamentos, Figura 5.10.
O equipamento regista e fornece a leitura das temperaturas de todos os termopares existentes no interior do forno. Através de um monitor é possível observar a evolução das temperaturas através de um gráfico que apresenta as temperaturas de todos os termopares em cada instante, ao longo do período de ensaio, Figura 5.11. O software utilizado tem como funções mostrar os dados adquiridos, permitir o controlo de instrumentos, a automação de testes, o processamento de sinal e o controlo industrial.
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Figura 5.11 - Apresentação dos dados obtidos em tempo real.
5.3.3 – Preparação das amostras para o ensaio
Para a realização do ensaio do comportamento ao fogo dos blocos foram preparados dos blocos do tipo A e dois do tipo L.
Inicialmente escolheu-se a localização dos termopares de fio e de placa, de modo a obter os melhores resultados do ensaio. A localização dos termopares foi escolhida minuciosamente devido às dimensões dos blocos e ao facto de alguns, nomeadamente os de espiga de milho, serem relativamente frágeis quando sujeitos a furação. Cada bloco foi provido com seis termopares de fio e dois termopares de placa. Os dois termopares de placa foram colocados nos buracos já existentes nos blocos. Para a colocação dos termopares de fio foi necessário fazer pequenos buracos em locais específicos dos blocos para a colocação dos mesmos, locais esses que estão apresentados na Figura 5.12.
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Após a definição da localização foi necessário, com o auxílio de um berbequim, proceder à furação dos blocos para posterior colocação dos termopares, sendo a profundidade definida de 7 cm para a localização dos termopares de fio, pois o objetivo passava pela colocação dos termopares à mesma profundidade, sendo os 7 cm o comprimento da broca utilizada Figura 5.13.
Figura 5.13 - Furação do bloco.
Seguidamente colocaram-se os termopares de fio nos locais escolhidos, Figura 5.14. Depois dos termopares serem colocados, os furos foram devidamente tapados com uma pasta designada de termoputty, Figura 5.15. Quando bem colocada, esta pasta isola completamente o buraco para que não entre calor, o qual pois iria interferir nas medições do termopar.
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Figura 5.15 - Buracos tapados com Termoputty.
Após a colocação dos termopares de fio iniciou-se a colocação dos termopares de placa, Figura 5.16. Como já foi referido anteriormente os termopares de placa são colocados nos buracos já existentes dos blocos. Surgiram algumas complicações uma vez que não era conveniente que os termopares de placa estivessem em contato com o bloco, pois a temperatura registada pelo termopar estaria influenciada pela temperatura das paredes do bloco. A única solução encontrada foi a adição de uma placa entre o termopar de placa e o bloco. A colocação desta placa dificulta a transferência de calor entre os dois objetos.
Figura 5.16 - Termopares de placa colocados no bloco.
Todo este procedimento foi repetido de igual forma em todos os blocos para posteriormente serem ensaiados. Os blocos foram devidamente identificados assim como todos os termopares de fio e de placa com etiquetas. Foi necessário muito cuidado e atenção devido ao elevado número de termopares.
Antes de se fazer o ensaio foi necessário colar os blocos de modo a simular uma parede. Foi utilizado cimento na união dos dois blocos, Figura 5.17. De seguida foi necessário esperar aproximadamente uma semana para que os blocos secassem.
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Figura 5.17 - Blocos colados com cimento.
5.3.4 – Metodologia experimental
O ensaio de resistência ao fogo requer um complexo procedimento para a sua realização uma vez que envolve vários materiais, instrumentos e uma grande precisão em relação aos mesmos. Inicialmente o objetivo era ensaiar os blocos mas optou-se por simular uma parede pois o objetivo é o estudo do conjunto e não do bloco separadamente, uma vez que na prática é comum ter um bloco isolado. Na formação da parede foram utilizados dois blocos, tal como já foi referido anteriormente.
Foram realizados dois ensaios. Num primeiro ensaio as amostras utilizadas na formação da parede foram dois blocos à base de argila expandida e no segundo foram dois blocos à base de caroço de espiga de milho. A metodologia utilizada foi repetida nos dois ensaios.
Inicialmente foi colocada na base do forno uma placa de fibra de vidro, tendo essa placa a função de isolar o elemento a ensaiar do forno. Nessa mesma placa foram feitos cinco buracos, onde foram colocados cinco termopares de disco, Figura 5.18. Os termopares de disco foram identificados com etiquetas com a sigla TD1 a TD5. Após a instalação dos termopares de disco a “parede” assentou por cima destes, ficando os termopares de disco colocados na face não exposta. Este tipo de termopares vão servir para avaliar a resistência ao fogo da “parede” e vão permitir determinar o términus do ensaio. A posição final da “parede” está representada na Figura 5.19. A parede foi rodeada com placas de fibra compactadas, ficando apenas com uma face exposta, a face superior.
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Figura 5.18 - Colocação dos termopares de disco.
Figura 5.19 - Amostra de parede na posição de ensaio.
Para complementar os termopares de disco, durante a fase de preparação das amostras foram colocados catorze termopares de fio (T1 a T14) e quatro de placa (TP1 a TP4) em cada ensaio, Figuras 5.20 e 5.21. Estes últimos equipamentos servem para validar o modelo numérico de simulação do comportamento ao fogo dos blocos de betão leve à base de caroço de espiga de milho. É de referir que os dados registados pelos quatro termopares de placa colocados nos furos intermédios dos dois blocos constituintes da “parede” auxiliarão na definição das condições de fronteira térmica a impor nas cavidades dos blocos.
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Figura 5.21 - Esquema de montagem dos termopares (Esq.: planta (mm), Dta.:Cortes A-A e B-B).
Após a devida colocação da amostra de parede no forno de resistência e da colocação de todo o isolamento o ensaio foi realizado. Este ensaio permite trabalhar com a curva de incêndio padrão ISO 834 [30]. Para que os critérios de isolamento ao fogo contemplados na norma EN1363-1 [27] fossem considerados, o ensaio teve de ser modificado, Figura 5.22, ficando desse modo com apenas uma face exposta ao fogo.
a) b)
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Existem dois critérios que devem ser considerados no que se refere à avaliação do critério de isolamento ao fogo. O critério de isolamento ao fogo 1 que impõe que o aumento da sua temperatura média não seja superior à temperatura inicial em mais de 140ºC e o critério de isolamento ao fogo 2 que impõe que em qualquer ponto da face não exposta ao fogo a temperatura não seja superior à temperatura inicial em mais de 180ºC. Devido a estes critérios é necessário determinar a evolução da temperatura na face não exposta, garantindo que a “parede” continua a desempenhar as suas funções, sem que ultrapasse qualquer dos critérios acima referidos. A temperatura inicial da face não exposta ao fogo da parede foi determinada através da média aritmética da temperatura registada pelos termopares de disco (TPD) no início do ensaio. A temperatura inicial medida foi de TD0=21.8ºC.
O ensaio decorreu durante 75 minutos e o critério 2 foi violado aos 72,23 minutos, conferindo uma resistência ao fogo de isolamento de 72 minutos completos.
Através da análise da Figura 5.24 é possível observar que a “parede” composta por blocos de betão leve à base de caroço de espiga de milho manteve a integridade estrutural. Esta foi colocada na horizontal, caso tivesse sido colocada na vertical (posição comum em aplicação corrente), era necessário ter em conta o efeito do peso próprio bem como de eventuais fenómenos de empenamento, o que poderia ter levado a que a integridade estrutural da parede não fosse garantida. Assim a posição da “parede” no forno de resistência tem influência nos resultados obtidos.
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5.4– Modelação numérica do comportamento ao fogo dos blocos.
A modelação numérica do comportamento ao fogo dos blocos permite modelar teoricamente o comportamento ao fogo de blocos durante o ensaio de resistência ao fogo.
Os valores das propriedades térmicas, nomeadamente a variação da condutividade térmica e a variação do calor específico do material constituinte dos blocos não são conhecidos. Apesar disso, o Eurocódigo 6 [31] disponibiliza curvas de propriedades de materiais em função da temperatura para blocos de betão leve tradicionais, cujas respetivas massas volúmicas estão geralmente compreendidas entre 600 kg/m3 e 1000 kg/m3.
Nas várias simulações numéricas de aproximação aos resultados obtidos experimentalmente, foram consideradas as propriedades térmicas não lineares conforme apresentado na Figura 6.24 e aplicadas na análise dos blocos constituídos à base de caroço de espiga de milho. O valor da emissividade do material constituinte destes blocos foi considerado igual a 0.87, obtido para argamassas correntes.
Figura 5.24 - Propriedades térmicas de referência para os blocos.
Tendo em atenção a geometria dos blocos e as suas dimensões, foi possível definir a malha de elementos para os blocos do tipo A e para os blocos do tipo L. Para isso, foram utilizados elementos SOLID70 (elementos de 8 nós, com 1 grau de liberdade por cada nó), do programa de simulação numérica “Ansys”, apresentando-se de seguida as malhas referentes aos dois tipos de blocos, Figura 5.25 e Figura 5.26.
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Figura 5.25 - Malhas de elementos finitos referentes aos blocos de betão leve à base de argila expandida ou leca na vertical: 1 bloco e 2 blocos obtidos por expansão de simetria material e
carregamento.
Junta de assentamento Face exposta ao fogo
Figura 5.26 - Malhas de elementos finitos referentes aos blocos de betão leve à base de granulado de caroço de espiga de milho na horizontal.
As condições de fronteira utilizadas no modelo numérico são de convecção e de radiação na face exposta e nas cavidades. Nos ensaios realizados, na face exposta ao fogo foi considerada a evolução da temperatura de acordo com a evolução da curva ISO 834-1 [30]. Nas cavidades dos blocos foi considerada a evolução da temperatura determinada pelos registos das curvas obtidas pelos 4 termopares de placa durante os ensaios experimentais. O coeficiente de convecção utilizado foi de 25 W/m2K e o valor da emissividade do fogo de 1.
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5.5 – Resultados Experimentais
Como foi referido anteriormente foram realizados dois ensaios de resistência ao fogo em blocos, sendo um primeiro ensaio realizado a dois blocos de betão leve à base de argila expandida e o outro ensaio a dois blocos de betão leve à base de granulado de caroço de espiga de milho, a proximidade de resultados obtidos nos dois ensaios determinou que não fosse necessária a realização de uma maior quantidade de ensaios. De seguida vão ser apresentados os resultados obtidos nos ensaios experimentais e numéricos comparando-os entre si, no sentido de validar os resultados numéricos com os resultados experimentais.
Inicialmente irão ser apresentados os resultados experimentais obtidos nos termopares de placa para que estes valores sejam utilizados na conceção do ensaio numérico.
5.5.1 – Blocos do tipo A – Blocos de argila expandida ou leca.
Nas condições de ensaio ao fogo, a curva de incêndio experimental (curva Real Forno), seguiu a respetiva curva padrão definida na ISO 834 [30], dentro dos limites da norma de ensaios [27]. As curvas de temperatura registadas pelos termopares de placa (TP) (TP1_e a TP4_e) instalados nas cavidades centrais dos dois blocos da parede também estão definidas na Figura 5.27.
Verifica-se que existe uma aproximação entre as curvas TP1_e e TP3_e e entre as curvas TP2_e e TP4_e. As curvas de temperatura dos TP também permitem compreender o processo de aquecimento da amostra ao longo do ensaio. As cavidades superiores dos blocos da parede, relativos à localização dos TP1 e TP3 e que estão mais próximos da face da parede exposta ao fogo, apresentam temperaturas significativamente superiores em relação aos termopares de placa TP2 e TP4, localizados nas cavidades inferiores e mais protegidos da ação do fogo.
83 0 200 400 600 800 1000 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 T [ºC] t [seg]
Real Forno ISO 834 TP1_e TP2_e TP3_e TP4_e
Figura 5.27 - Curva da ISO 834, curva real no forno e Curvas dos termopares de placa (TP1_e a TP4_e.
As temperaturas verificadas nos termopares de placa durante o ensaio (TP1_e a TP4_e), correspondem às temperaturas obtidas nas cavidades dos blocos ao longo do desenvolvimento do fogo. Para a sua utilização no modelo numérico e dado que os