Propriedades mecânicas residuais do concreto em situação de incêndio

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo

MARCELA BARROS DE SOUZA SOLLERO

PROPRIEDADES MECÂNICAS RESIDUAIS DO

CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

CAMPINAS 2019

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PROPRIEDADES MECÂNICAS RESIDUAIS DO

CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Dissertação de Mestrado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na área de Estruturas e Geotécnica.

Orientador: Prof. Dr. Armando Lopes Moreno Júnior Co-orientadora: Profa. Dra. Carla Neves Costa

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA MARCELA BARROS DE SOUZA SOLLERO E ORIENTADA PELO PROF. DR. ARMANDO LOPES MORENO JÚNIOR.

ASSINATURA DO ORIENTADOR

______________________________________

CAMPINAS 2019

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Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Elizangela Aparecida dos Santos Souza - CRB 8/8098

Sollero, Marcela Barros de Souza,

So46p SolPropriedades mecânicas residuais do concreto em situação de incêndio / Marcela Barros de Souza Sollero. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.

SolOrientador: Armando Lopes Moreno Júnior. SolCoorientador: Carla Neves Costa.

SolDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.

Sol1. Concreto. 2. Fogo. 3. Altas temperaturas. 4. Propriedades mecânicas. 5. Agregados (Materiais de construção). I. Moreno Júnior, Armando Lopes, 1964-. II. Costa, Carla Neves, 1972-. III. Universidade Estadual de Campinas.

Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Residual mechanical properties of the concrete in fire conditions Palavras-chave em inglês:

Concrete Fire

High temperatures Mechanical properties

Aggregates (Building materials)

Área de concentração: Estruturas e Geotécnica Titulação: Mestra em Engenharia Civil

Banca examinadora:

Carla Neves Costa [Coorientador] Carlos Eduardo Marmorato Gomes Luiz Carlos Pinto da Silva Filho

Data de defesa: 30-08-2019

Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil

Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a) - ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0002-8816-0521 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/4473663935238018

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FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E

URBANISMO

PROPRIEDADES MECÂNICAS RESIDUAIS DO CONCRETO

EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO

Marcela Barros de Souza Sollero

Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:

Profa. Dra. Carla Neves Costa

Presidente e Co-Orientadora/ FEC/UNICAMP

Prof. Dr. Carlos Eduardo Marmorato Gomes FEC/UNICAMP

Prof. Dr. Luiz Carlos Pinto da Silva Filho Universidade Federal do Rio Grande do Sul

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da

Unidade.

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Ao Prof. Dr. Armando Lopes Moreno Jr., pela confiança, pelo apoio e pela orientação ao longo de todo o trabalho desenvolvido e até mesmo antes disso. Em especial, por me mostrar o caminho.

A Prof. Dra. Carla Neves Costa, pela orientação, incentivo e paciência.

Ao Prof. Dr. Carlos Eduardo Marmorato Gomes e ao Prof. Dr. Luiz Carlos Pinto da Silva Filho, pela orientação e pelos comentários gentis na qualificação, que me sustentaram nos momentos mais difíceis.

À Prof. Dra. Ana Elisa Silva de Abreu, pelos esclarecimentos e pelo apoio na divulgação da pesquisa.

À CONCREMAT Engenharia e Tecnologia S.A., por todo o apoio fornecido, pela fé na importância da ciência e à toda a equipe que sempre me incentivou. Tenho gratidão e orgulho por cada um de vocês. Agradeço, em especial, ao Eng. Msc. Rodrigo Tadeu dos Santos e à Eng. Magda de Paula Junqueira.

À EPT Engenharia e Pesquisas Tecnológicas, pelo apoio fornecido no início da pesquisa e de minha vida profissional.

À ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland, pelo apoio e pelos ensaios realizados, e ao Geólogo Msc. Marcelo Pecchio, pelo apoio e pela amizade oferecidos. À MC-Bauchemie, pela doação do aditivo, e ao Eng. Holger Schmidt, por sua gentileza e disponibilidade.

À Usina Paulista de Britagem Pedreira São Jerônimo, às Pedreiras Basalto do Grupo Estrutural e à LafargeHolcim Brasil pelo fornecimento de informações e material, assim como pelo incentivo à pesquisa.

À equipe do Laboratório de Estruturas da FEC/UNICAMP e à equipe da Secretaria de Pós-Graduação da FEC, por toda atenção e cooperação. Em particular, agradeço ao Luciano Passos, ao Eduardo e à Rosana.

Ao meu esposo, Marcos, ao meu pai, Limiro, pela compreensão e força. Por fim, a Deus — sem Ele, nada seria possível.

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A norma ABNT NBR 15200:2012 determina que as estruturas de concreto sejam projetadas para resistir aos efeitos das altas temperaturas por um determinado tempo e que as estruturas incendiadas sejam vistoriadas e tenham sua capacidade portante verificada antes de sua reutilização. Tanto o projeto quanto a verificação das estruturas baseiam-se na correlação entre o comportamento dos materiais em temperatura ambiente e em situação de incêndio. A normatização atual, no entanto, apresenta lacunas tanto em relação ao comportamento em situação de incêndio de concretos executados com diferentes tipos de agregados graúdos, característica que afeta marcantemente seu desempenho, quanto às condições de ensaio para a avaliação da resistência mecânica residual do material. A pesquisa desenvolvida objetiva fornecer subsídio para o dimensionamento e a verificação de estruturas de concreto em situação de incêndio. Para isso, foi realizado um Programa Experimental dedicado à obtenção de curvas de decréscimo da resistência mecânica residual de amostras de concreto executadas com granito, basalto e calcário e expostas a temperaturas compreendidas entre 100 ºC e 900 ºC, de resistência normal e alta, fundamentando-se nas recomendações RILEM TC 200-HTC e RILEM TC 129-MHT. Os resultados de resistência à compressão obtidos apresentaram-se semelhantes ou superiores aos valores de resistência residual de referência nas temperaturas mais baixas; uma vez superadas, parte dos valores de referência se mostraram contra a segurança. Constatou-se ainda, através de análise estatística, a influência do tipo de agregado graúdo utilizado e o desempenho estatisticamente equivalente da sílica ativa e da sílica de casca de arroz, assim como a possibilidade de se reduzir o tempo de latência das amostras através de pré-aquecimento do concreto. Por fim, evidenciou-se a necessidade de revisão das principais normas vigentes relacionadas ao projeto de estruturas em situação de incêndio, de forma a incluir dados de propriedades mecânicas residuais de concreto de resistência à compressão normal e alta com diferentes tipos de agregados graúdos.

Palavras chave: concreto; fogo; altas temperaturas; propriedades mecânicas; agregados (materiais de construção).

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ABNT NBR 15200:2012 standard determines that concrete structures must be designed to resist high-temperature effects for a specified time and that structures that have been through fire situations must be inspected and have its bearing capacity verified before its reuse. Both the project and the verifying process are based on the correlation between the room temperature and the fire situation behavior of the materials. However, there are gaps in current standards relating to the behavior in fire situations of concrete made with different types of coarse aggregate, which greatly affects its performance, and also relating to the testing conditions for the residual mechanical properties of the materials. The developed research aims to provide a subsidy for dimensioning and verification of concrete structures in fire situation. To this end, it was developed an Experimental Program focused on obtaining residual mechanical properties reduction curves of concrete samples produced with granite, basalt, and limestone coarse aggregate and exposed to a range of temperatures between 100 ºC and 900 ºC, based on RILEM TC 200-HTC and RILEM TC 129-MHT recommendations. The achieved compressive strength results were similar or superior to the reference residual strength values in lower temperatures, once over them part of the reference values were revealed against safety. Through statistical analysis, it was verified the influence of the coarse aggregate type and that silica fume and rice husk ash are statistically equivalent in performance, it was also found that the latency time for samples can be reduced pre-heating the concrete. Lastly, the necessity to revise the main standards related to fire-exposed structure design was shown, there is a need to include data on the residual mechanical properties of normal and high strength concrete made with different types of coarse aggregates.

Keywords: concrete; fire; high temperatures; mechanical properties; aggregates (building materials).

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Figura 1 – Lacunas normativas e em estudos ... 24 Figura 2 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CCV) em função da temperatura ... 34 Figura 3 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CAR) em função da temperatura ... 35 Figura 4 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CCV) com agregado silicoso apresentados pela norma EN 1992-1-2: 2004 (CEN, 2004), em azul, e por Abrams (1977 apud ACI, 2007), adaptado de ACI 216-1 (2007) ... 36 Figura 5 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CCV) com agregado calcário ou carbonático apresentados pela norma EN 1992-1-2: 2004 (CEN, 2004) e por Abrams (1977 apud ACI, 2007), adaptado de ACI 216-1 (2007) ... 37 Figura 6 – Curva padrão temperatura-tempo (COSTA, SILVA, 2006) ... 38 Figura 7 – Curvas nominais de incêndio para túneis (RWS e ZTV), incêndio com combustíveis hidrocarbonetos (“hydrocarbon”) e celulósicos (“Standard ISO or BS

476”), adaptada de fib Bulletin nº38 (2007) ... 39

Figura 8 - Fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto (CCV e CAR) em função da temperatura ... 41 Figura 9 - Fatores de redução do módulo de elasticidade tangente e secante do concreto em função da temperatura (ABNT, 2004) ... 42 Figura 10 - Fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto em função da temperatura, adaptada (CRUZ, 1966 apud ACI, 1989) ... 42 Figura 11 - Fatores de redução da resistência à tração do concreto (CCV e CAR) em função da temperatura ... 44 Figura 12 - Formação de fissuras no concreto em função das altas temperaturas. Adaptado de Hertz (2005) ... 45 Figura 13 – Região úmida junto à frente de lascamento do concreto em laje rompida durante exposição ao fogo, adaptada de McNamee (2019) ... 47

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adaptada (MA et al, 2015) ... 51 Figura 15 – Regimes de aquecimento utilizados em diferentes estudos, compilados pela autora ... 59 Figura 16 - Resistência à compressão residual de corpos de prova aquecidos rápida e lentamente, adaptado de Hertz (2007) ... 61 Figura 17 – Efeito do pré-aquecimento na diferença de temperatura radial ΔT (°C) em função da temperatura superficial, em °C – concreto com pedregulho do Tâmisa aquecido a 1ºC/min, adaptado de Khoury, Sullivan e Grainger (1984) ... 62 Figura 18 – Efeito do pré-aquecimento na diferença de temperatura radial ΔT (°C) em função da temperatura superficial, em °C – concreto com agregado leve aquecido a 1ºC/min, adaptado de Khoury, Sullivan e Grainger (1984) ... 62 Figura 19 - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada de basalto, granito e dolomita britados e areia de quartzo durante aquecimento a 10 °C/min (HAGER, 2015) ... 65 Figura 20 - Análise termodiferencial de agregado graúdo de calcário dolomítico

(H-Mix Dolomitic Limestone Aggregate), areia silicosa natural, de agregado graúdo de

basalto (BI & BII-Mix Basalt Aggregate) e areia de quartzo, adaptado de Khoury (1984) ... 66 Figura 21 - Análise termogravimétrica, da esquerda para a direita, da areia silicosa natural e do agregado graúdo de basalto, do agregado graúdo de calcário dolomítico e da areia de quartzo, adaptado de Khoury (1984) ... 66 Figura 22 - Expansão térmica do agregado graúdo de calcário dolomítico (Dolomitic

Limestone) e do agregado graúdo de basalto (Quartz-dolerite (Basalt)), adaptado de

Khoury (1984) ... 67 Figura 23 - Comportamento de agregados durante o aquecimento. Adaptado de Khoury (1995, apud FIB, 2007) ... 68 Figura 24 – Comparação de diferentes tipos de sílex expostos ao calor, adaptado de Xing et al (2011) ... 75

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basáltica, em que as rochas constituintes variam de basalto e diabásio/ dolerito a gabro (MOTOKI; SICHEL, 2006) ... 78 Figura 26 – Produção de rocha britada por Unidade da Federação em 2015, por tonelada (DNPM, 2018) ... 79 Figura 27 – Mapa de distribuição de usinas de britagem no Brasil – ano Base 2015, adaptado de DNPM (2018)... 80 Figura 28 – Ampliação do mapa de distribuição de usinas de britagem no Brasil – ano Base 2015, adaptado de DNPM (2018) ... 81 Figura 29 – Distribuição da produção nacional de rochas britadas – ano base 2015 (DNPM, 2018) ... 82 Figura 30 – Difratograma padrão do quartzo (VARELA et al, 2005) ... 87 Figura 31 – Representação esquemática da ionização de uma camada do átomo após a excitação por fótons e da liberação secundária de fótons ... 88 Figura 32 – Fluxograma do Programa Experimental ... 90 Figura 33 – Amostras expostas às temperaturas de controle, 200 ºC, 400º e 600 ºC (Etapa 1), totalizando 87 corpos de prova ... 91 Figura 34 – Amostras expostas às temperaturas de controle,100 ºC, 200 ºC, 300 ºC, 400 ºC, 500 ºC e 800 ºC (Etapa 1), totalizando 133 corpos de prova ... 91 Figura 35 – Amostras expostas às temperaturas 100 ºC, 200 ºC, 300 ºC, 400 ºC, 500 ºC, 600 ºC, 700 ºC, 800 ºC e 900 ºC (Etapa 2), totalizando 123 corpos de prova ... 92 Figura 36 – Indicação das pedreiras de origem dos agregados graúdos em adaptação do mapa litológico de Perotta, Sachs e Salvador (2006) ... 97 Figura 37 – Vista de amostra do agregado granítico ... 100 Figura 38 – Fotomicrografia do granito mostrando o aspecto geral da rocha composta por cristais de quartzo, plagioclásio, microclínio e raros cristais de mica (biotita e muscovita) ... 101

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ripiforme, quartzo e microclínio arranjados em uma textura granular granítica ... 101

Figura 40 – Difratograma do agregado granítico ... 102

Figura 41 – Composição química e mineralógica do agregado granítico ... 104

Figura 42 – Vista de amostra do agregado calcário ... 105

Figura 43 – Fotomicrografia do calcário expondo o aspecto geral da rocha ao microscópio. Nota-se veio composto por minerais opacos e quartzo ao centro ... 106

Figura 44 – Fotomicrografia do calcário exibindo detalhe do veio composto por minerais opacos e quartzo. Notam-se os pequenos cristais de carbonato que envolvem o veio, dando origem a uma textura clástica quase afanítica ... 106

Figura 45 – Difratograma do agregado calcário ... 107

Figura 46 – Composição química e mineralógica do agregado calcário ... 109

Figura 47 – Vista de amostra do agregado basáltico ... 110

Figura 48 – Fotomicrografia do basalto. Os minerais ripiformes de cor de interferência cinza são plagioclásios, enquanto os coloridos são piroxênios. As porções negras são opacos, provavelmente magnetita ... 111

Figura 49 – Fotomicrografia do basalto exibindo detalhe das ripas de plagioclásio e os cristais granulares de piroxênio (coloridos). Entre esses minerais é possível observar massas cinzas de cristais microgranulares, provavelmente vidro vulcânico devitrificado. Textura geral intersertal ... 111

Figura 50 – Difratograma do agregado basáltico ... 112

Figura 51 – Composição química e mineralógica do agregado basáltico ... 114

Figura 52 – Vista das formas utilizadas. Fonte: Autora. ... 116

Figura 53 – Forno técnico elétrico – vista frontal e lateral. Fonte: Autora. ... 124

Figura 54 – Corpos de prova selados em filme plástico. Fonte: Autora. ... 124

Figura 55 – Fatores de redução kc,θ do CAR em função da temperatura θ °C. Fonte: Autora. ... 148

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destaque para CAR-1. Fonte: Autora. ... 149 Figura 57 - Fatores de redução kc,θ do CAR em função da temperatura θ °C, com

destaque para CAR-2. Fonte: Autora. ... 150 Figura 58 – Corpo de prova do grupo CAR-2-C após aquecimento a 900 ºC. A sequência de imagens mostra a ruptura da amostra sob pressão manual. Fonte: Autora. ... 155 Figura 59 – Fluxograma da análise One-Way ANOVA. Fonte: Autora. ... 159 Figura 60 – Fluxograma da análise Two-Way ANOVA. Fonte: Autora. ... 160 Figura 61 – Fatores de redução kc,θ do CCV em função da temperatura θ °C. Fonte:

Autora. ... 168 Figura 62 – Fatores de redução kc,θ do CCV-1-B e do CCV-1-G em função da

temperatura θ °C. Fonte: Autora. ... 169 Figura 63 – Fatores de redução kc,θ, do CCV-1-C em função da temperatura θ °C.

Fonte: Autora. ... 170 Figura 64 – Fatores de redução kc,t(θ) do CAR em função da temperatura θ °C. .. 178

Figura 65 – Fatores de redução da resistência à tração do concreto kc,t(θ) (CCV e

CAR) em função da temperatura θ °C. ... 179 Figura 66 – Fatores de redução kc,t(θ) do CCV em função da temperatura θ °C. .. 182

Figura 67 – Fatores de redução kcE,θ do CAR em função da temperatura θ °C. Fonte:

Autora. ... 185 Figura 68 – Fatores de redução kcE,θ do CAR-1-C em função da temperatura θ °C.

Fonte: Autora. ... 186 Figura 69 – Fatores de redução kcE,θ do CAR-1-B e do CAR-1-G em função da

temperatura θ °C. Fonte: Autora. ... 187 Figura 70 – Fatores de redução kcE,θ do CCV em função da temperatura θ °C. Fonte:

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Fonte: Autora. ... 193 Figura 72 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto com calcário. Fonte: Autora. ... 194 Figura 73 - Fatores de redução da resistência à compressão residual do concreto com granito. Fonte: Autora. ... 195 Figura 74 - Fatores de redução da resistência à tração residual do concreto. Fonte: Autora. ... 196

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Tabela 1 – Exigências químicas do cimento CP-II-E ... 93

Tabela 2 – Características físicas e químicas da sílica ativa ... 94

Tabela 3 – Características físicas e químicas da sílica de casca de arroz ... 95

Tabela 4 – Módulo de finura e ao diâmetro máximo característico do agregado miúdo utilizado ... 95

Tabela 5 – Módulo de finura e ao diâmetro máximo característico dos agregados graúdos utilizados ... 96

Tabela 6 – Compostos mineralógicos cristalizados do agregado granítico ... 102

Tabela 7 – Análise química semiquantitativa por FRX do agregado granítico ... 103

Tabela 8 – Compostos mineralógicos cristalizados do agregado calcário ... 107

Tabela 9 – Análise química semiquantitativa por FRX do agregado calcário ... 108

Tabela 10 – Compostos mineralógicos cristalizados do agregado basáltico ... 112

Tabela 11 – Análise química semiquantitativa por FRX do agregado basáltico... 113

Tabela 12 – Especificações do concreto utilizado – CAR-1 – sílica de casca de arroz ... 114

Tabela 13 – Especificações do concreto utilizado – CAR – sílica ativa ... 114

Tabela 14 – Especificações do concreto utilizado – CCV ... 115

Tabela 15 – Taxas de aquecimento e resfriamento recomendadas em função do diâmetro do corpo de prova... 118

Tabela 16 – Resistência à compressão residual – CAR-1-B ... 126

Tabela 17 – Resistência à compressão residual – CAR-1-C ... 127

Tabela 18 – Resistência à compressão residual – CAR-1-G ... 127

Tabela 19 – Resistência à compressão residual – CAR-2-B ... 128

Tabela 20 – Resistência à compressão residual – CAR-2-C ... 129

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Tabela 23 – Resistência à compressão residual – CCV-1-C ... 133

Tabela 24 – Resistência à compressão residual – CCV-1-G ... 134

Tabela 25 – Teores de umidade do concreto... 135

Tabela 26 – Resistência à tração residual – CAR-1-B ... 136

Tabela 27 – Resistência à tração residual – CAR-1-C ... 136

Tabela 28 – Resistência à tração residual – CAR-1-G ... 137

Tabela 29 – Resistência à tração residual – CAR-2-B ... 137

Tabela 30 – Resistência à tração residual – CAR-2-C ... 138

Tabela 31 – Resistência à tração residual – CAR-2-G ... 138

Tabela 32 – Resistência à tração residual – CCV-1-B ... 139

Tabela 33 – Resistência à tração residual – CCV-1-C ... 139

Tabela 34 – Resistência à tração residual – CCV-1-G ... 140

Tabela 35 – Módulo de elasticidade residual – CAR-1-B ... 140

Tabela 36 – Módulo de elasticidade residual – CAR-1-C ... 141

Tabela 37 – Módulo de elasticidade residual – CAR-1-G ... 141

Tabela 38 – Módulo de elasticidade residual – CAR-2-B ... 142

Tabela 39 – Módulo de elasticidade residual – CAR-2-C ... 142

Tabela 40 – Módulo de elasticidade residual – CAR-2-G ... 143

Tabela 41 – Módulo de elasticidade residual – CCV-1-B ... 143

Tabela 42 – Módulo de elasticidade residual – CCV-1-C ... 144

Tabela 43 – Módulo de elasticidade residual – CCV-1-G ... 145

Tabela 44 – Fatores de redução kc,θ para CAR-1 ... 156

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Tabela 47 – One-Way ANOVA: Resistência à compressão residual em função do tipo

de agregado – CAR-1 ... 161

Tabela 48 – Teste de igualdade de variâncias do erro de Levene para CAR-2-G .. 162

Tabela 49 – One-Way ANOVA: Resistência à compressão residual em função do pré-aquecimento do concreto – CAR-2-G ... 162

Tabela 50 – Teste de igualdade de variâncias do erro de Levene para CAR-1-B e CAR-2-B ... 163

Tabela 51 – Teste de efeitos entre sujeitos para CAR-1-B e CAR-2-B ... 163

Tabela 52 – Teste de igualdade de variâncias do erro de Levene para CAR-1 ... 165

Tabela 53 – Teste de efeitos entre sujeitos para CAR-1 ... 165

Tabela 54 – Comparações múltiplas para CAR-1 – tipo de agregado ... 166

Tabela 55 – Comparações múltiplas para CAR-1 – temperatura ... 167

Tabela 56 – Fatores de redução kc,θ para CCV-1 ... 174

Tabela 57 – Teste de igualdade de variâncias do erro de Levene para CCV-1 ... 175

Tabela 58 – One-Way ANOVA: Resistência à compressão residual em função do tipo de agregado – CCV-1 ... 176

Tabela 59 – Fatores de redução kc,t(θ) para CAR-1 ... 181

Tabela 60 – Fatores de redução kc,t(θ) para CAR-2 ... 181

Tabela 61 – Fatores de redução kc,t(θ) para CCV-1 ... 184

Tabela 62 – Fatores de redução kcE,θ para CAR-1 ... 189

Tabela 63 – Fatores de redução kcE,θ para CAR-2 ... 189

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Quadro 1 - Características dos tipos de concreto abordados pelas normas ABNT NBR 15200:2012 (ABNT, 2012a), ACI 216.1-07 (ACI, 2007) e EN 1992-1-2:2004 (CEN,

2004) ... 33

Quadro 2 - Componentes da deformação do concreto aquecido, com base em Khoury (2006) e Klein Júnior (2011) ... 63

Quadro 3– Classificação petrográfica de 21 tipos de rochas, adaptada de RAZAFINJATO et al (2016) ... 70

Quadro 4 - Classificação de agregados por características petrográficas (BSI, 1975; NEVILLE, 2016), adaptado pela autora ... 76

Quadro 5– Características petrográficas do agregado granítico ... 99

Quadro 6– Características petrográficas do agregado calcário ... 104

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a/c – Relação água/cimento

a/agl – Relação água/aglomerante

ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ACI – American Concrete Institute

ANM – Agência Nacional de Mineração BSI – British Standards Institution CAR – Concreto de Alta Resistência CCV – Concreto Convencional

CEN – European Committee for Standardization CPRM – Serviço Geológico do Brasil

Dmáx – Diâmetro máximo característico do agregado DNPM – Departamento Nacional de Produção Mineral DRX – Difratometria de raios-x

𝑬_𝒓𝒆𝒔𝑻,𝒅– Módulo de elasticidade residual do concreto exposto à temperatura T, na condição drying (amostra não selada)

Ecs – Módulo de elasticidade secante do concreto

F – Razão F

fcj – Resistência à compressão do concreto na idade j

𝒇_{𝒄,𝒓𝒆𝒔}𝑻 – Resistência à compressão residual do concreto exposto à temperatura T

ftj – Resistência à tração do concreto na idade j

𝒇_{𝒕,𝒓𝒆𝒔}𝑻 – Resistência à tração residual do concreto exposto à temperatura T

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gl – Graus de liberdade

HSC – High Strength Concrete, ou concreto de alta resistência ISO – International Organization for Standardization

kcE,θ – Fator de redução do módulo de elasticidade residual do concreto

kc,θ – Fator de redução da resistência à compressão residual do concreto

kc,t(θ) – Fator de redução da resistência à compressão residual do concreto

MF – Módulo de finura

NIST – National Institute of Standards and Technology

NSC – Normal Strength Concrete, ou concreto de resistência normal

RILEM – Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux,

Systèmes de Construction et Ouvrages

Sig – Significância

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1. INTRODUÇÃO ... 23 1.1. JUSTIFICATIVAS ... 25 1.2. QUESTÃO DE PESQUISA ... 26 1.3. OBJETIVOS ... 26 1.3.1. Objetivo geral ... 26 1.3.2. Objetivos específicos ... 26 1.4. ESTRUTUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 27 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 28

2.1. EFEITOS DAS ALTAS TEMPERATURAS NO CONCRETO ... 28

2.2. ALTERAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS... 32

2.2.1. Redução da resistência à compressão ... 34

2.2.2. Redução do módulo de elasticidade ... 40

2.2.3. Redução da resistência à tração ... 44

2.3. FISSURAÇÃO DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS 45 2.4. SPALLING DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS ... 46

2.5. FATORES QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS... 52

2.5.1. Adições na pasta de cimento ... 52

2.5.2. Umidade das amostras ... 54

2.5.3. Regime de ensaio ... 56

2.5.4. Tipo de agregado graúdo ... 64

2.6. PARTICULARIDADES DO CAR EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS 83 2.6.1. Spalling ... 84

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ativa ... 84

2.6.3. Efeitos do uso de aditivo superplastificante ... 85

2.7. TÉCNICAS ANALÍTICAS PARA CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA ... 85

2.7.1. Análise petrográfica ... 86

2.7.2. Difratometria de raio-x ... 86

2.7.3. Análise química semiquantitativa por espectrometria de fluorescência de raios-x ... 87 3. PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 90 3.1. MATERIAIS E MÉTODOS ... 93 3.1.1. Materiais ... 93 3.1.2. Métodos ... 116 4. RESULTADOS ... 126

4.1. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO RESIDUAL DO CONCRETO ... 126

4.2. RESISTÊNCIA À TRAÇÃO RESIDUAL DO CONCRETO ... 136

4.3. MÓDULO DE ELASTICIDADE RESIDUAL DO CONCRETO ... 140

5. DISCUSSÃO ... 146

5.1. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO RESIDUAL DO CONCRETO – CAR .... 146

5.1.1. Análise estatística ... 157

5.2. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO RESIDUAL DO CONCRETO – CCV .... 167

5.2.1. Análise estatística ... 174

5.3. RESISTÊNCIA À TRAÇÃO RESIDUAL DO CONCRETO - CAR ... 177

5.4. RESISTÊNCIA À TRAÇÃO RESIDUAL DO CONCRETO - CCV ... 182

5.5. MÓDULO DE ELASTICIDADE RESIDUAL DO CONCRETO - CAR ... 184

(22)

DO CONCRETO POR TIPO DE AGREGADO ... 193 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 197 6.1. CONCLUSÕES... 197 6.2. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 202 REFERÊNCIAS ... 203

(23)

1. INTRODUÇÃO

Em situação de incêndio, o concreto é afetado micro e macroestruturalmente pela exposição às altas temperaturas. Entre outras consequências sofridas, suas propriedades mecânicas – a resistência à compressão, a resistência à tração e o módulo de elasticidade – apresentam reduções progressivas em função da elevação da temperatura.

A avaliação das propriedades residuais do concreto exposto às altas temperaturas, por sua vez, é essencial à determinação de sua capacidade de carga visando o projeto de estruturas em situação de incêndio, assim como para o posterior reaproveitamento das estruturas sinistradas (HERTZ, 2005).

Entre as características do concreto mais influentes em seu comportamento ao ser aquecido a elevados patamares encontram-se sua resistência mecânica e o tipo de agregado graúdo utilizado. De fato, quanto maior o coeficiente de dilatação térmica dos agregados, maior o dano sofrido pelo concreto ao ser submetido às altas temperaturas (CÁNOVAS, 1988).

A norma brasileira ABNT NBR 15200:2012, assim como outras normas internacionais ou estrangeiras referentes ao tema, apresenta tabelas e/ou gráficos com fatores de redução das propriedades mecânicas do concreto exposto às altas temperaturas a serem aplicados em projeto estruturais e verificações pós-construção.

É notável, no entanto, que essas normas possuem lacunas no que se refere às classes de resistência do concreto, às condições de exposição e ensaio aplicadas e, principalmente, aos tipos de agregado graúdo utilizado, limitando-se aos silicosos, calcários e, quando muito, aos agregados definidos como leves (ABNT, 2012a; ACI, 2007; CEN, 2004).

Ao se realizar uma revisão bibliográfica sobre o tema, percebe-se que não há um padrão em termos de método e de caracterização de concreto nos estudos nacionais e, até mesmo, nos internacionais. Tal fato origina resultados díspares e, frequentemente, incompatíveis entre si.

(24)

Figura 1 – Lacunas normativas e em estudos

Desenvolveu-se, portanto, um programa experimental que objetiva contribuir para a supressão dessa lacuna no que se refere à concretos com resistência à compressão normal e alta, executados com agregados de origem granítica, calcária e basáltica. Para a realização dos ensaios que compõe o Programa Experimental, foi utilizado um padrão internacionalmente reconhecido – recomendações RILEM TC 200-HTC (SCHNEIDER et al., 2007) e RILEM TC 129-MHT (1995; 2000; 2004) –, sendo o primeiro trabalho nacional com esse foco a se preocupar com esse importante fator.

As recomendações RILEM foram elaboradas especificamente para o estudo das propriedades mecânicas do concreto exposto às altas temperaturas, determinando as taxas de aquecimento e resfriamento, o patamar de estabilização da temperatura, a forma de aplicação de carga, a amostragem mínima, a geometria e a idade das amostras e os demais parâmetros necessários para a realização de testes – ou seja, ensaios padronizados – com alta reprodutibilidade.

Lacunas normativas

Classe de resistência NBR remete ao Eurocode Tipo de agregado Silicoso, calcário, carbonático, leve... Condições de exposição e ensaio Hot stressed? Unstressed?

Lacunas em estudos

reflexo das normas

Resultados incompatíveis! Schneider (1988) fib Bulletin nº38 (2007) . Ausência da aplicação de padrão

←

→

(25)

1.1. JUSTIFICATIVAS

Atualmente, não há norma nacional que especifique os procedimentos de ensaios a serem seguidos para a determinação das propriedades mecânicas residuais do concreto exposto às altas temperaturas, ainda que a ABNT NBR 15200:2012 determine que o projeto de estruturas em situação de incêndio se baseia na correlação entre o comportamento dos materiais em temperatura ambiente e em situação de incêndio (ABNT, 2012a).

Nacional e internacionalmente, percebe-se tanto a disparidade dos resultados obtidos por diversos pesquisadores quanto a falta de uma curva de redução da resistência mecânica do concreto confeccionado com basalto em função da elevação da temperatura.

A padronização do método utilizado na obtenção das curvas de redução da resistência mecânica é fundamental para que as pesquisas nacionais produzam resultados menos díspares e que possam ser comparados entre si. Dessa forma, os dados levantados poderão ser adequadamente avaliados e utilizados na elaboração de projetos e em simulações virtuais para análises de cenários de estruturas de concreto em situação de incêndio – durante e após sua ocorrência.

A curva de redução da resistência mecânica do concreto com agregado basáltico, por sua vez, é necessária visando a economia e a precisão na avaliação da capacidade portante em situação de incêndio de estruturas concreto de resistência normal e, sobretudo, de alta resistência, dado que o basalto apresenta comportamento estável sob altas temperaturas e é recomendado para otimizar concretos suscetíveis ao lascamento explosivo (BRITEZ, 2011).

Dessa forma, a pesquisa proposta e desenvolvida aplica-se à validação dos métodos de ensaios propostos nas recomendações RILEM, referência padrão para a análise de concreto exposto às altas temperaturas, e ao subsídio de projetos e da verificação de estruturas de concreto executado com diferentes tipos de agregado graúdo – granito, calcário e basalto. É importante expor que o estudo abrange concreto de resistência normal e concreto de alta resistência, este composto com sílica ativa e sílica de casca de arroz.

(26)

1.2. QUESTÃO DE PESQUISA

Quais as curvas de redução da resistência à compressão residual de amostras de concreto executadas com diferentes tipos de agregado graúdo, expostas às altas temperaturas e ensaiadas de acordo com as recomendações RILEM TC 200-HTC e RILEM TC 129-MHT?

1.3. OBJETIVOS

Neste item apresentam-se os objetivos gerais e específicos da pesquisa em desenvolvimento.

1.3.1. Objetivo geral

Fornecer subsídio para dimensionamento e verificação de estruturas de concreto de normal e alta resistência confeccionado com diferentes tipos de agregado graúdo e exposto a elevadas temperaturas segundo as recomendações RILEM TC 200-HTC e RILEM TC 129-MHT.

1.3.2. Objetivos específicos

Os objetivos específicos são:

a) Avaliar a influência dos agregados graúdos granito, basalto e calcário na resistência à compressão do concreto de cimento Portland exposto às altas temperaturas;

b) Elaborar curvas de redução da resistência à compressão e da resistência à tração residuais de concreto de resistência normal e de alta resistência elaborado com agregado graúdo basáltico, granítico e calcário;

c) Comparar as curvas obtidas através dos procedimentos especificados pelas recomendações RILEM TC 200-HTC e RILEM TC 129-MHT para avaliação de propriedades mecânicas do concreto exposto às altas temperaturas e as curvas das normas ABNT NBR 15200:2012, ACI 216.1-07 e EN 1992-1-2: 2004;

(27)

d) Fornecer subsídio para modelagens numéricas voltadas à simulação virtual de ensaios e do comportamento de estruturas de concreto em situação de incêndio.

1.4. ESTRUTUTURA DA DISSERTAÇÃO

A presente dissertação foi desenvolvida em seis capítulos.

No 1° capítulo, foi elaborada a Introdução, abrangendo a contextualização do trabalho, suas justificativas, a questão de pesquisa e os objetivos propostos.

O 2º capítulo é composto pelo Revisão Bibliográfica que embasa a pesquisa desenvolvida, com foco nos efeitos das altas temperaturas no concreto e na caracterização dos fatores influentes.

O 3º capítulo descreve o Programa Experimental, expondo as etapas da pesquisa e os fluxogramas de agrupamento dos corpos de prova ensaiados com base nos materiais utilizados e na resistência à compressão do concreto – alta (CAR) ou normal (CCV).

É abordada ainda a caracterização dos materiais utilizados, incluindo a análise petrográfica dos agregados, e a descrição dos métodos aplicados para preparação das amostras e execução dos ensaios.

No 4º capítulo, são apresentados os resultados dos ensaios de determinação das propriedades mecânicas residuais do concreto exposto às altas temperaturas após o tratamento inicial dos dados conforme os critérios normativos, junto aos valores médios, os desvios-padrões e os coeficientes de variação.

O 5º capítulo é composto pela discussão dos resultados, abrangendo a comparação dos dados obtidos entre si e com os valores fornecidos pelas normas, assim como a análise estatística, aplicando-se ANOVA (análise de variância) e o teste de Tukey.

No 6º capítulo, apresentam-se as Considerações Finais da pesquisa, compostas por sua Conclusão e pelas Recomendações para Trabalhos Futuros cujo objetivo seja dar continuidade à mesma linha de pesquisa.

(28)

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A seguir, é apresentada a revisão bibliográfica que embasa o presente trabalho.

2.1. EFEITOS DAS ALTAS TEMPERATURAS NO CONCRETO

É um fato que a elevação da temperatura decorrente de situações de incêndio pode causar diversos efeitos negativos nas estruturas de concreto, variando de simples descolorações ou manchas produzidas por fumaça até a completa destruição dos elementos por perda de resistência mecânica (FIB, 2008; SOUZA; MORENO JUNIOR, 2010).

Cánovas (1988) alega que a intensidade do fogo, assim como sua extensão e seus efeitos sobre as estruturas em situação de incêndio, depende de quatro fatores:

a) Dos materiais que compõe a estrutura ou estão presentes nela, no que se refere a seu tipo, quantidade, combustibilidade e propagação do fogo;

b) Das correntes de ar, que propagam, intensificam e aumentam a extensão das chamas, além se auxiliar na combustão dos materiais;

c) Das cinzas, que podem formar camadas isolantes em materiais como madeira, mas também podem iniciar novos focos de incêndio;

d) Dos efeitos da luta contra o fogo, dado que o resfriamento rápido produzido pelas ações de combate ao incêndio provoca contrações repentinas no material que podem reduzir significativamente sua resistência, dentre outros itens.

Os estudos acerca dos efeitos das altas temperaturas do concreto podem ser divididos em dois grupos: um dedicado a estudar as alterações nas propriedades do material em função das altas temperaturas e um focado na performance estrutural de elementos de concreto em situação de incêndio (ALI, 2002).

(29)

Tal diferenciação se deve ao fato de que, além dos efeitos decorrentes do dano ao material em si, as estruturas de concreto sofrem danos variáveis relacionados à geometria, à distribuição, ao carregamento e às ligações de seus elementos.

O gradiente térmico e a dilatação dos elementos decorrentes do aquecimento do concreto geram ações excepcionais e a redução da resistência e da rigidez dos elementos, ainda que a capacidade de rotulação plástica e de acomodação do elemento ao sistema estrutural aumente simultaneamente (COSTA, 2008).

A dilatação dos elementos estruturais em função das altas temperaturas causa fissuras principalmente em regiões afastadas do foco do incêndio; a perda da capacidade resistente do concreto pode ser associada à ocorrência de grandes deformações dos elementos, superiores aos limites de tolerância, e a aderência aço-concreto pode ser reduzida.

O elevado grau de continuidade em estruturas constituídas por pórticos tende a proporcionar a redistribuição de carregamentos; em adição, as estruturas sofrem danos visíveis, como deformações e perda de seção (BURGESS, 2002; AGRAWAL; KODUR, 2016).

Diferentes tipos de falhas localizadas podem oferecer graus de riscos variados à estabilidade de uma estrutura em situação de incêndio. A ruptura de um pilar pode levar a um colapso progressivo ao sobrecarregar os demais elementos; vigas podem apresentar deformações sem levar ao colapso global da estrutura, desde que suas extremidades e as lajes a que se encontram vinculadas permaneçam estáveis.

A ruptura da ligação viga-pilar por cisalhamento, no entanto, ocorre com frequência nos incêndios mais severos, provavelmente motivada pelos esforços de flexão induzidos pela dilatação do conjunto de lajes e vigas adjacentes. Uma vez que as vigas falhem no suporte aos pavimentos, o colapso progressivo pode ocorrer.

Em lajes, os danos são geralmente maiores, dada sua pequena espessura e, normalmente, baixo cobrimento das armaduras: uma vez expostas, as barras sofrem deformações permanentes, as quais implicam em grandes deformações das lajes. O principal problema do colapso localizado de uma laje, usualmente, é a perda de sua função de compartimentação, permitindo o

(30)

alastramento do fogo a outros níveis da estrutura (BURGESS, 2002; COSTA, 2008; SANTOS; RODRIGUES, 2015).

Diversos estudos e publicações abordam efeitos apresentados pelo concreto, como material, em função da elevação da temperatura (ARIOZ, 2007; CÁNOVAS, 1988, FIB, 2007; FIB, 2008; HERTZ, 2005; KHOURY, 1984; KHOURY, 2000; ALONSO; FERNANDEZ, 2004; HAGER, 2013; MEHTA; MONTEIRO, 2014, NEVILLE, 2016):

a) Até os 80 ºC, observa-se o aumento da hidratação do cimento; b) Entre 80 ºC e 150 ºC, a elevação da temperatura do concreto leva

à decomposição da etringita, situada principalmente na zona de transição;

c) Entre 80 ºC e 850 ºC, ocorrerá a perda da água quimicamente combinada;

d) A cerca de 100 ºC, tem-se o início da perda de água livre, processo que retarda o aquecimento do concreto;

e) Entre 100 ºC – 250 ºC, a perda de água se deve principalmente à desidratação do silicato de cálcio hidratado (C-S-H);

f) Entre 150 ºC – 270 ºC, tem-se o pico do primeiro estágio da decomposição do silicato de cálcio hidratado (C-S-H);

g) Até 200 ºC, é relatada a possível evolução da hidratação de partículas anidras do cimento;

h) Acima de 300 ºC, há um marcante aumento de porosidade e da microfissuração do concreto. Espécimes não carregados sofrem uma expansão irreversível;

i) Aos 350 ºC, ruptura de alguns agregados silicosos, como tipos de sílex;

j) Aos 374 ºC, atinge-se o ponto crítico em que a presença de água livre não é possível;

(31)

k) Entre 400 ºC e 600 ºC ocorre a dissociação do hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) em óxido de cálcio (CaO) e água (H2O), implicando em

retração do concreto;

l) Até os 500 ºC, 90% da resistência à compressão perdida pode ser recuperada em até 1 ano por reidratação do material;

m) Aos 573 ºC ocorre o pico da transformação do quartzo-α dos agregados em quartzo-β,– desenvolvida entre os 500 ºC e os 650 ºC. Trata-se de uma reação endotérmica acompanhada de expansão variável, da ordem de 0,85% a aproximadamente 5,7%; n) A partir de 550 ºC–600 ºC, há um aumento significativo dos efeitos

térmicos, aumentando a fluência do concreto comum ao ponto de torná-lo estruturalmente inutilizável;

o) Aos 600 ºC, a fissuração superficial das amostras é facilmente visualizada e a norma EN 1992-1-2: 2004 indica que a resistência à tração seja considerada nula;

p) Entre 600 ºC e 800 ºC, ocorre a segunda fase da decomposição do C-S-H, formando β-C2S, com pico aos 720 ºC-750 °C;

q) Entre cerca de 700 ºC e 898 ºC, ocorre a descarbonatação do carbonato de cálcio (CaCO3), formando CaO e dióxido de carbono

(CO2). Hager (2013) loca esse processo entre os 930 ºC e os

960 ºC;

r) Aos 800 ºC, a fissuração superficial das amostras é muito pronunciada;

s) Aos 840 ºC, tem-se a decomposição da dolomita;

t) Aos 1060 ºC, inicia-se a fusão dos constituintes do concreto; u) Aos 1200 ºC, amostras de concreto apresentam-se

completamente decompostas.

Khoury (2000) destaca que normalmente apenas os primeiros centímetros de espessura dos elementos estruturais ultrapassam o limite de

(32)

300 ºC em situações de incêndio, em função da baixa difusividade térmica do material.

Hertz (2005) recomenda que as camadas de concreto que atingiram ou superaram essa temperatura sejam removidas durante as intervenções de recuperação. Khoury (2000) afirma que essa é uma prática comum e que ao longo do aquecimento essas camadas, se não sofrerem spalling, oferecem proteção térmica ao aço dos elementos armados e ao núcleo de concreto, atuando como uma barreira térmica.

2.2. ALTERAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO EXPOSTO ÀS ALTAS TEMPERATURAS

Para que se possa projetar estruturas de concreto e avaliar sua segurança quando submetidas a ações térmicas de projeto – como no caso de usinas siderúrgicas ou nucleares – ou acidentais, é necessário o conhecimento de suas propriedades em temperaturas entre 20 ºC e 750 ºC, sendo que em determinadas situações pode ser imperioso possuir dados sobre suas propriedades até a temperatura de fusão (SCHNEIDER et al., 2007).

Como exposto, as propriedades mecânicas do concreto são afetadas negativamente pela elevação da temperatura. Khoury (2000) atribui essa deterioração a três fatores materiais e a uma série de fatores ambientais, dentre os quais destaca quatro:

Fatores materiais

• Alterações físico-químicas na pasta de cimento; • Alterações físico-químicas nos agregados;

• Incompatibilidade térmica entre os agregados e a pasta de cimento. Fatores ambientais

• Nível de temperatura; • Taxa de aquecimento; • Aplicação de carga;

• Selamento externo influenciando a perda de água através da superfície do concreto.

A norma ABNT NBR 15200:2012 (ABNT, 2012a), assim como as normas ACI 216.1-07 (ACI, 2007) e o EUROCODE 2, EN 1992-1-2: 2004 (CEN,

(33)

2004), principais referências internacionais para o projeto de estruturas em situação de incêndio, fornecem dados sobre o decréscimo das propriedades mecânicas do concreto separados por massa específica ou resistência (normal – CCV – ou alta – CAR) e por tipo de agregado graúdo utilizado, conforme Quadro 1. Norma Características Especificadas Faixa de massa específica Classe ou faixa de resistência Regime de ensaio – resistência à compressão Tipos de agregado graúdo ABNT NBR 15200:2012 Normal (2000 a 2800 kg/m³) C20 a C50 (CCV) - Silicoso ACI 216.1-07 - 18 a 27 MPa (CCV)

Aquecido com carga e ensaiado à quente, aquecido sem carga e

ensaiado à quente, aquecido sem carga e

ensaiado a frio Carbonático (inclui o calcário), silicoso e leve EN 1992-1-2:2004 (Eurocode 2) Normal (2000 a 2800 kg/m³) C55 a C105 (CAR) - Silicoso e calcário Quadro 1 - Características dos tipos de concreto abordados pelas normas ABNT NBR

15200:2012 (ABNT, 2012a), ACI 216.1-07 (ACI, 2007) e EN 1992-1-2:2004 (CEN, 2004)

Observa-se no Quadro 1 que as únicas características mencionadas pelas três normas são a classe ou faixa de resistência à compressão – não citada pela EN 1992-1-2:2004 para concretos de massa específica normal – e o tipo de agregado graúdo utilizado. De fato, o fib Bulletin nº38 – Fire design of concrete

structures – materials, structures and modeling – State-of-art report (2007) afirma

que o tipo de agregado é um dos itens que determinam o comportamento do concreto durante o aquecimento e resfriamento, além do tipo de pasta de cimento, da zona de transição e da interação entre eles.

Souza (2005) afirma que, apesar da ausência de indicação na norma ABNT NBR 15200:2012, os fatores de redução das propriedades mecânicas que a norma apresenta são baseados no ensaio de amostras aquecidas e sob aplicação de carga, condições de difícil reprodução na maioria dos laboratórios nacionais e, portanto, pouco aplicadas nos estudos brasileiros.

Os itens a seguir oferecem maiores detalhes sobre as alterações das propriedades mecânicas do concreto em função da elevação da temperatura.

(34)

2.2.1. Redução da resistência à compressão

Caetano, Santos e Rodrigues (2014) afirmam que a determinação da resistência à compressão é um dos parâmetros mais úteis no dimensionamento de estruturas de concreto, dado que esse material é normalmente solicitado, principalmente, a esforços de compressão.

A Figura 2 apresenta uma compilação dos fatores de redução da resistência à compressão do concreto de resistência normal em função da elevação da temperatura segundo diversos autores:

Figura 2 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CCV) em função da temperatura

A Figura 3 apresenta uma compilação dos fatores de redução da resistência à compressão do concreto de alta resistência (fcj ≥ 50 MPa) em

função da elevação da temperatura segundo diversos autores: 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C) CCV - Calcário (CEN, 2004) CCV - Silicoso (CEN, 2004)

CCV - Basalto, residual, sem carga (TOLENTINO et al, 2002)

CCV - Granito e basalto, residual, sem carga (LIMA, 2005)

CCV - Granito e basalto, residual, sem carga (WENDT, 2006)

CCV - Calcário, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CCV - Granito, residual, sem carga (SILVA et al, 2010)

CCV - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CCV - Granito (C28), residual, sem carga (SILVA, 2009)

CCV - Granito (C35), residual, sem carga (SILVA, 2009)

CCV - Granito, com carga, à quente (SILVA et al, 2010)

CCV - Residual, sem carga, resfriamento rápido (SOUZA; MORENO JÚNIOR, 2010)

CCV - Residual, sem carga, resfriamento lento (SOUZA; MORENO JÚNIOR, 2010)

CCV - Basalto, residual, sem carga (KIRCHHOF, 2010)

CCV - Granito, residual, sem carga (YOON, 2015) CCV - Basalto, residual, sem carga (fcm = 40 MPa; steady state) (ALMEIDA, 2017)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C) CCV - Calcário (CEN, 2004) CCV - Silicoso (CEN, 2004)

CCV - Basalto, residual, sem carga (TOLENTINO et al, 2002) CCV - Granito e basalto, residual, sem carga (LIMA, 2005) CCV - Granito e basalto, residual, sem carga (WENDT, 2006) CCV - Calcário, residual, sem carga (ARIOZ, 2007)

CCV - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CCV - Granito (C28), residual, sem carga (SILVA, 2009) CCV - Granito (C35), residual, sem carga (SILVA, 2009) CCV - Granito, residual, sem carga (SILVA et al, 2010) CCV - Residual, sem carga, resfriamento rápido (SOUZA;

MORENO JÚNIOR, 2010)

CCV - Residual, sem carga, resfriamento lento (SOUZA;

MORENO JÚNIOR, 2010)

CCV - Basalto, residual, sem carga (KIRCHHOF, 2010) CCV - Granito, residual, sem carga (YOON, 2015)

CCV - Basalto, residual, sem carga (fcm = 40 MPa; steady state)

(ALMEIDA, 2017) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C) CCV - Calcário (CEN, 2004) CCV - Silicoso (CEN, 2004)

CCV - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CCV - Granito (C28), residual, sem carga (SILVA, 2009) CCV - Granito (C35), residual, sem carga (SILVA, 2009) CCV - Granito, residual, sem carga (SILVA et al, 2010) CCV - Residual, sem carga, resfriamento rápido (SOUZA; MORENO JÚNIOR, 2010)

CCV - Basalto, residual, sem carga (fcm = 40 MPa; steady state) (ALMEIDA, 2017) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C) CCV - Calcário (CEN, 2004) CCV - Silicoso (CEN, 2004)

CCV - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CCV - Granito (C28), residual, sem carga (SILVA, 2009) CCV - Granito (C35), residual, sem carga (SILVA, 2009) CCV - Granito, residual, sem carga (SILVA et al, 2010) CCV - Residual, sem carga, resfriamento rápido (SOUZA; MORENO JÚNIOR, 2010)

CCV - Basalto, residual, sem carga (fcm = 40 MPa; steady state) (ALMEIDA, 2017)

(35)

Figura 3 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CAR) em função da temperatura

Destaca-se a significativa dispersão dos resultados expostos na Figura 2 e na Figura 3, assim como o uso de diferentes agregados graúdos, traços e regimes de ensaio.

Hertz (2005) afirma que os dados apresentados na norma EN 1992-1-2:2004, da qual provém os resultados de redução da resistência à compressão da norma ABNT NBR 15200:2012, foram baseados em ensaios transientes, com amostras compostas por diversos concretos caracterizados por seus agregados graúdos e carregadas durante o aquecimento.

Conforme Hertz (2005), os valores apresentados são até 25% maiores do que os obtidos em ensaios sem carga, tanto a quente quanto após o

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C)

CAR Classe 1 (CEN, 2004)

CAR - Calcário, residual, sem carga (C40, a/c: 0,57) (CARINO; PHAN, 2001)

CAR - Sílico-calcário, residual, sem carga (C75, a/agl: 0,30) (HAGER; PIMIENTA, 2002)

CAR - Calcário, residual, sem carga (C75, a/agl: 0,36) (HAGER; PIMIENTA, 2002)

CAR - Basalto, residual, sem carga (TOLENTINO et al, 2002)

CAR - Argila expandida, residual, sem carga (SOUZA, 2005)

CAR - Basalto, residual, sem carga (SOUZA, 2005)

CAR - Calcário, residual, sem carga (SOUZA, 2005)

CAR - Granito e basalto, residual, sem carga (LIMA, 2005)

CAR - Dolomita, residual, sem carga (NETINGER et al, 2011)

CAR - Seixo rolado, residual, sem carga (NETINGER et al, 2011)

CAR - Calcário, residual, sem carga, resfriamento lento (SANTOS et al, 2011)

CAR- Silicoso, residual, sem carga (HEAP et al, 2013)

CAR - Calcário, residual, sem carga (ARIOZ, 2007)

CAR - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007)

CAR - Basalto, residual, sem carga (KIRCHHOF, 2010)

CAR - Basalto, residual, sem carga (fcm = 56 MPa, steady state) (ALMEIDA, 2017) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C)

CAR Classe 2 (CEN, 2004) CAR Classe 3 (CEN, 2004)

CAR - Basalto, residual, sem carga (TOLENTINO et al, 2002)

CAR - Argila expandida, residual, sem carga (SOUZA, 2005) CAR - Basalto, residual, sem carga (SOUZA, 2005)

CAR - Calcário, residual, sem carga (SOUZA, 2005) CAR - Granito e basalto, residual, sem carga (LIMA, 2005)

CAR - Dolomita, residual, sem carga (NETINGER et al, 2011) CAR - Seixo rolado, residual, sem carga (NETINGER et al, 2011)

CAR - Calcário, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CAR - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007)

CAR - Basalto, residual, sem carga (KIRCHHOF, 2010) CAR - Basalto, residual, sem carga (fcm = 56 MPa, steady state) (ALMEIDA, 2017) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 fc,θ / fcj Temperatura θ (°C)

CAR Classe 1 (CEN, 2004) CAR Classe 2 (CEN, 2004)

CAR - Basalto, residual, sem carga (TOLENTINO et al, 2002) CAR - Argila expandida, residual, sem carga (SOUZA, 2005)

CAR - Basalto, residual, sem carga (SOUZA, 2005) CAR - Calcário, residual, sem carga (SOUZA, 2005) CAR - Granito e basalto, residual, sem carga (LIMA, 2005)

CAR - Dolomita, residual, sem carga (NETINGER et al, 2011) CAR - Seixo rolado, residual, sem carga (NETINGER et al, 2011)

CAR - Calcário, residual, sem carga (ARIOZ, 2007) CAR - Seixo, residual, sem carga (ARIOZ, 2007)

CAR - Basalto, residual, sem carga (KIRCHHOF, 2010) CAR - Basalto, residual, sem carga (fcm = 56 MPa, steady state) (ALMEIDA, 2017)

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resfriamento, diferença encontrada em especial na faixa de 500 ºC a 700 ºC. A tensão utilizada, para esse efeito, deve ser de 25 a 30% da tensão de ruptura a 20 ºC.

Apesar da informação apresentada por Hertz, contudo, percebe-se que os dados na norma EN 1992-1-2:2004 (EUROCODE 2) (CEN, 2004), quando comparados aos resultados de Abrams expostos na norma ACI 216.1-07 (ACI, 20216.1-07) — ambos para agregados silicosos —, apresentam maior semelhança com as amostras ensaiadas sem carga durante o aquecimento, conforme Figura 4.

Figura 4 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CCV) com agregado silicoso apresentados pela norma EN 1992-1-2: 2004 (CEN, 2004), em azul,

e por Abrams (1977 apud ACI, 2007), adaptado de ACI 216-1 (2007)

Percebe-se comportamento semelhante – ainda que com menor aderência entre as curvas – ao se comparar os dados provenientes da norma EN 1992-1-2:2004 (EUROCODE 2) (CEN, 2004) e os resultados de Abrams expostos na norma ACI 216.1-07 (ACI, 2007) – ambos para agregados calcários ou carbonáticos, conforme Figura 5.

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Figura 5 - Fatores de redução da resistência à compressão do concreto (CCV) com agregado calcário ou carbonático apresentados pela norma EN 1992-1-2: 2004 (CEN,

2004) e por Abrams (1977 apud ACI, 2007), adaptado de ACI 216-1 (2007)

Entende-se que o aquecimento das amostras utilizadas na composição das curvas de redução das propriedades mecânicas da norma EN 1992-1-2:2004 se deu conforme a curva padrão temperatura-tempo.

A curva padrão temperatura-tempo, ou curva de incêndio padrão, é a idealização e simplificação do estágio de queima mais intensa de um incêndio padronizado, destinada a análises experimentais e análises numéricas de estruturas. Trata-se uma curva nominal que assume como uniforme a temperatura dos gases no ambiente em que ocorre o incêndio, não abrange a fase de resfriamento (ramo descendente), adota que o material combustível é celulósico e é normalmente indicada para edificações (COSTA, SILVA, 2006; FIB, 2007; COSTA, 2008).

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A Figura 6 ilustra a diferença entre a curva padrão temperatura-tempo e a variação térmica esperada de um incêndio ao longo de suas principais fases.

Figura 6 – Curva padrão temperatura-tempo (COSTA, SILVA, 2006)

A curva de incêndio-padrão recomendada pela norma brasileira ABNT NBR 5628:2001 é a mesma apresentada pelas normas ISO 834 e EN 1991-1-2:2002 (Eurocode 1). A expressão matemática da curva é exposta na equação (1) (ABNT, 1980):

T - T0 = 345 log10 (8t+1) [ºC] (1)

Onde:

t = tempo em min a partir do início do ensaio T = temperatura do forno no instante “t” em ºC T0= temperatura inicial do forno em ºC

A diferença entre as normas é que a EN 1991-1-2:2002 adota a temperatura inicial como 20 ºC, enquanto a norma ABNT NBR 5628:2001 admite que ela seja de 10 ºC a 40 ºC.

Existem ainda diversas curvas nominais amplamente divulgadas para incêndios em túneis e estradas ou com diferentes materiais combustíveis, como ilustra a Figura 7.

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Figura 7 – Curvas nominais de incêndio para túneis (RWS e ZTV), incêndio com combustíveis hidrocarbonetos (“hydrocarbon”) e celulósicos (“Standard ISO or BS

476”), adaptada de fib Bulletin nº38 (2007)

Schneider (1988), um dos principais autores em que as recomendações RILEM acerca de concreto exposto às altas temperaturas se baseiam, fez diversas observações acerca dos fatores que afetam especificamente a redução da resistência à compressão do concreto em função da temperatura:

a) A resistência à compressão original e a relação água-cimento, em concretos usuais, dificilmente exercem influência na redução proporcional dessa propriedade do concreto quando exposto às altas temperaturas;

b) O tipo de cimento empregado é responsável por uma pequena variação da referida resistência;

c) A relação cimento/agregado apresenta um efeito significativo na redução da resistência à compressão do concreto exposto às altas temperaturas, a qual é menor para misturas mais pobres em cimento;

d) O tipo do agregado graúdo exerce influências claras na redução da resistência à compressão do concreto nessas condições, sendo

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que sua dimensão máxima também proporciona alterações no comportamento do material;

e) A aplicação de tensão durante o aquecimento influencia a propriedade em questão significativamente, sendo que a resistência à compressão do material é superior quando o ensaio é realizado com as amostras aquecidas sob carga, em comparação com aquelas aquecidas sem carga e ensaiadas antes ou após o resfriamento;

f) A taxa de aquecimento, cujo efeito é variável e depende das dimensões da amostra, como destaca Hertz (2007);

g) A forma de aplicação de tensão, dado que a resistência à compressão biaxial é superior à resistência uniaxial.

Os fatores que afetam a alteração das propriedades mecânicas do concreto como um todo estão discriminados no item 2.5.

2.2.2. Redução do módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade do concreto é frequentemente associado à resistência do material e, em temperatura ambiente, aumenta à medida que ela cresce, mas não há consenso no que se refere à relação entre os dois parâmetros em altas temperaturas.

Afetado pelo tipo e pelo volume de agregados, o módulo de elasticidade do concreto é mais sensível à elevação da temperatura do que a resistência à compressão por sofrer maior influência da fissuração na zona de transição entre a pasta e os agregados (FIB, 2007; MEHTA, MONTEIRO, 2014). A Figura 8 apresenta fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto de resistência normal e alta em função da elevação da temperatura segundo diversos autores:

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Figura 8 - Fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto (CCV e CAR) em função da temperatura

As versões atuais das normas ABNT NBR 15200:2012 e EN 1992-1-2:2004 não estabelecem diretamente fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto expostos às altas temperaturas, como destaca Almeida (2017), mas oferecem valores que relacionam a deformação linear específica do concreto à temperatura e a resistência à compressão do material.

Os fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto em função da temperatura foram excluídos da norma ABNT NBR 15200 em 2012, após 8 anos de vigência (ABNT, 2004; 2012). Processo semelhante afetou a norma ACI 216R, cujos fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto em situação de incêndio, provenientes de Cruz (1966 apud ACI, 1989), foram removidos em 2007.

A Figura 9 ilustra os fatores apresentados pela norma ABNT NBR 15200:2004. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 Ec, θ / E c Temperatura θ (°C) CCV - Calcário (ABNT, 2004) CCV - Silicoso (ABNT, 2004) CCV - Granito (SANTOS et al, 2010)

CCV - Calcário (SANTOS, RODRIGUES, 2014) CCV - Granito (SANTOS, RODRIGUES, 2014) CAR - Calcário (PHAN; LAWSON; DAVIS, 2001) CAR - Calcário (PHAN; LAWSON; DAVIS, 2001) CAR - Granito e basalto (LIMA, 2005)

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Figura 9 - Fatores de redução do módulo de elasticidade tangente e secante do concreto em função da temperatura (ABNT, 2004)

A Figura 10 ilustra os fatores obtidos por Cruz e reproduzidos pela norma ACI216R (ACI, 1989).

Figura 10 - Fatores de redução do módulo de elasticidade do concreto em função da temperatura, adaptada (CRUZ, 1966 apud ACI, 1989)

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O módulo de elasticidade normalmente apresentado ao se estudar sua variação em função da elevação da temperatura corresponde ao módulo secante (SCHNEIDER et al., 2007). Entretanto, nem sempre essa informação está explícita nas publicações.

De acordo com a norma ABNT NBR 6118 (2014), entre os diversos valores de módulo de elasticidade, é o módulo secante que deve ser utilizado nas análises elásticas de projeto, especialmente no que toca a determinação de esforços solicitantes e verificação de estados limites de serviço.

A norma EN 1994-1-2:2005 (Eurocode 4) (CEN, 2004b) que trata do projeto de estruturas mistas de concreto e aço em situação de incêndio, expõe que o valor característico do módulo de elasticidade secante do concreto sob altas temperaturas, seja ele normal ou leve, silicoso ou calcário, pode ser obtido dividindo-se a resistência à compressão do material pela sua deformação, ambos à temperatura θ ºC.

Schneider (1988) compilou observações acerca de fatores que afetam especificamente a redução do módulo de elasticidade do concreto exposto às altas temperaturas, expostas a seguir:

a) A resistência à compressão original, a relação água-cimento e o tipo de cimento exercem pequena influência na redução proporcional do módulo de elasticidade do concreto exposto às altas temperaturas;

b) O tipo do agregado graúdo e a relação agregado/cimento exercem forte influência na redução do módulo de elasticidade do concreto exposto às altas temperaturas, sendo encontrada uma variação muito grande entre os dados obtidos por diversos pesquisadores;

c) A aplicação de tensão durante o aquecimento afeta significativamente o módulo de elasticidade do concreto, o qual é superior quando o ensaio é realizado com as amostras aquecidas sob carga, em comparação com aquelas aquecidas sem carga e ensaiadas antes ou após o resfriamento, tal como acontece com a resistência à compressão.