UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO MULTIDISCIPLINAR DE ANGICOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO MULTIDISCIPLINAR DE ANGICOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS

CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL

EMERSON MARTINS DE ARAÚJO

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DO CONCRETO SUBMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS POR MEIO DE SIMULAÇÕES

NUMÉRICAS

ANGICOS - RN

2019

EMERSON MARTINS DE ARAÚJO

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DO CONCRETO SUBMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS POR MEIO DE SIMULAÇÕES

NUMÉRICAS

Trabalho Final de Graduação apresentado a Universidade Federal Rural do Semi- árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. Wendell Rossine Medeiros de Souza

ANGICOS - RN

2019

ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.

O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.

A658a Araújo, Emerson Martins de.

Análise do comportamento termomecânico do concreto submetido a altas temperaturas por meio de simulações numéricas / Emerson Martins de Araújo. - 2019.

85 f. : il.

Orientador: Wendell Rossine Medeiros de Souza.

Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Civil, 2019.

1. Concreto em altas temperaturas. 2.

Comportamento termomecânico. 3. Método dos elementos finitos. 4. Argamassa de vermiculita.

I. Souza, Wendell Rossine Medeiros de, orient.

II. Título.

Aos meus pais, Silvaneide Pereira de Araújo e Edson Martins de Oliveira Júnior, por todo o amor e completo apoio nessa caminhada.

A Maria Fátima de Azevedo, a quem

considero minha segunda mãe, por todo o

amor e o apoio necessários durante esses

anos.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus pela dádiva que é a vida, pela saúde e sabedoria que me foram dadas, e pela força necessária durante essa longa caminhada de estudos.

A minha mãe Silvaneide Pereira de Araújo, que nunca parou de lutar para que eu chegasse onde cheguei, que apoiou e incentivou os meus estudos, e me deu todo o carinho e amor necessários tanto nos tempos fáceis quanto nos tempos difíceis. Mãe, eu te amo e te admiro mais do que tudo.

A Maria Fátima de Azevedo, que mesmo não tendo nenhum parentesco comigo, considero como a minha segunda mãe. Serei eternamente grato por todo o carinho e amor que você me deu ao longo da minha vida. O amor que tenho por ti é imenso.

Ao meu pai Edson Martins de Oliveira Júnior, por todo o apoio e incentivo, sempre trabalhando duro para que eu pudesse realizar meus sonhos, sinto muito orgulho e admiração por você, te amo meu pai.

Agradeço a família que consegui formar em Angicos durante esse curso, meus amigos e irmãos, Matheus Carlyelton, Lucas Araújo, Gustavo Fernandes, Luís Eduardo, Niarkus Xavier, Ayrton Fonseca. Serei eternamente grato a vocês e a casa Glamour, por tantas histórias boas que construímos.

Um agradecimento especial a Sulamita Bezerra, por toda a ajuda e companheirismo durante esse trabalho, seu apoio foi fundamental para que as coisas tenham dado certo. Te desejo todo o sucesso do mundo, porque você merece.

As grandes amizades que pude formar durante 5 anos de curso, Cecília Alves, Italinara Rayne, Anyele Lopes, Letícia Costa, Eduarda Duane, Willamy Carlos.

Agradeço por todos os momentos compartilhados e espero que continuemos juntos no futuro, sou muito grato por ter conhecido vocês e tenho certeza que todos serão grandes profissionais.

Ao meu orientador Wendell Rossine pela paciência, atenção, incentivo, dedicação e

disponibilidade durante a realização deste trabalho, desde a escolha do tema até a

reunião em que conseguimos nossos resultados. Foi uma honra trabalhar contigo.

Aos membros da banca examinadora, Prof. Dr. Kleber Cavalcanti Cabral e Eng.

Deize Daiane Pinto Guilherme pela disponibilidade em avaliar o meu trabalho.

A esta universidade e a todos os professores, pela oportunidade e conhecimento repassado para mim, muitos contribuíram bastante para a minha vida acadêmica e formação, entre eles Klaus André, Kleber Cabral, Luis Henrique, Wendell Rossine, Janaina Salustio, entre tantos outros.

Por fim, agradeço a todos aqueles que direta ou indiretamente, de longe ou de perto,

estiveram apoiando durante toda a caminhada e fazendo todo o esforço valer a pena.

“Não confunda derrotas com fracasso nem vitórias com sucesso. Na vida de um campeão sempre haverá algumas derrotas, assim como na vida de um perdedor sempre haverá vitórias. A diferença é que, enquanto os campeões crescem nas derrotas, os perdedores se acomodam nas vitórias”

(ROBERTO SHINYASHIKI)

RESUMO

O concreto apresenta bom desempenho quando submetido a elevadas temperaturas, pois apresenta baixa condutividade térmica, incombustibilidade e não expele gases tóxicos. No entanto, existem incêndios que provocam redução nas propriedades mecânicas dos elementos estruturais, podendo inclusive levar a edificação ao colapso total. Diante disso, surgiram inúmeras pesquisas sobre as medidas de proteção ativa e principalmente passiva contra incêndios, entre elas o revestimento do concreto com uma camada de argamassa com vermiculita, que possui boas propriedades térmicas e pode auxiliar na redução da perda de resistência e aumentar o tempo de evacuação da edificação. Este trabalho consiste na construção de modelos computacionais através do método dos elementos finitos, que são capazes de simular numericamente corpos de prova de concreto submetidos a altas temperaturas. No total foram elaborados 4 modelos, cujo carregamento consiste em uma curva com taxa de aquecimento constante de 27,4ºC/min até a temperatura máxima de 800ºC, e que se diferenciam entre si pela espessura da argamassa aplicada como revestimento, cujos valores são de 0,0 cm, 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm. Com isso, foi possível analisar o comportamento termomecânico do concreto nas temperaturas de 300ºC, 500ºC e 800ºC, no que diz respeito a distribuição de temperatura e de tensões para o interior dos corpos de prova, bem como a influência da argamassa com vermiculita na proteção do concreto e da sua armadura contra a ação das altas temperaturas. Os resultados das simulações mostraram que a camada de argamassa é favorável à proteção do concreto nessas situações, visto que claramente há uma redução nas temperaturas atingidas em todas as regiões do concreto. Percentualmente, a redução foi de respectivamente 4,64%; 7,78% e 10,29% para os cobrimentos de 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm, na parede externa do concreto, chegando a 11,19% na armadura.

Entretanto, a argamassa não atrasou consideravelmente o avanço da temperatura, reduzindo no máximo 3 minutos para que a armadura alcançasse os 500ºC. Devido ao confinamento, as tensões de tração no interior do concreto são maiores à medida que a espessura de cobrimento aumenta, porém elas são resistidas pela armadura, que possui alta resistência a tração. Entretanto, na região de cobrimento de concreto para a armadura, onde não há aço, para espessuras maiores, pode ocorrer uma inversão de tensão de compressão para tração, e isso pode prejudicar o comportamento termomecânico naquela região.

Palavras-Chave: Concreto em altas temperaturas; comportamento termomecânico;

método dos elementos finitos; argamassa de vermiculita.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Incêndio na Boate Kiss em Santa Maria - RS ... 20

Figura 2: Incêndio no Museu Nacional do Brasil ... 20

Figura 3: Incêndio em Natal-RN ... 21

Figura 4: Mecanismos de transferência de calor ... 22

Figura 5: Fases de um incêndio real ... 24

Figura 6: Curva-padrão ISO 834 (1975) ... 26

Figura 7: Curva-padrão ASTM E119 (1918) ... 26

Figura 8: Curva-padrão H (hydrocarbon curve) ... 27

Figura 9: Curva de Incêndio Natural ... 28

Figura 10: Equipamentos de proteção ativa contra incêndios ... 30

Figura 11: Detalhe da zona de transição ... 31

Figura 12: Projeto de combate a incêndio ... 32

Figura 13: Redução da resistência em função da temperatura e do agregado ... 36

Figura 14: Laje após uma situação de incêndio ... 37

Figura 15: Alterações na cor e resistência do concreto em aquecimento ... 39

Figura 16: Redução do módulo de elasticidade com o aumento de temperatura ... 40

Figura 17: Cubo de Tensões ... 41

Figura 18: Média de resistência a compressão por tipo de resfriamento ... 43

Figura 19: Vermiculita em seu estado normal/ Vermiculita Expandida ... 45

Figura 20: Elemento ou radiano axissimétrico... 51

Figura 21: Coordenadas dos pontos do modelo base ... 51

Figura 22: Definição das linhas do modelo base ... 52

Figura 23: Definição da superfície do modelo base ... 52

Figura 24: Curva de aquecimento ... 53

Figura 25: Função tempo que define o carregamento ... 54

Figura 26: Definição da linha modelo ... 55

Figura 27: Matriz de resultados ... 56

Figura 28: Elemento com acréscimo da camada de revestimento, em vermelho .... 57

Figura 29: Perfil térmico do modelo sem revestimento ao longo do tempo ... 60

Figura 30: Distribuição de temperatura nos modelos sem revestimento aos 10 minutos, 17 minutos e 28 minutos ... 60

Figura 31: Tensão tangencial no modelo sem revestimento ao longo do tempo... 61

Figura 32: Tensão radial no modelo sem revestimento ao longo do tempo ... 62

Figura 33: Cisalhamento no modelo sem revestimento ao longo do tempo ... 63

Figura 34: Perfil térmico do modelo com 1,5 cm de revestimento ... 64

Figura 35: Perfil térmico do modelo com 3,0 cm de revestimento ... 64

Figura 36: Perfil térmico do modelo com 4,5 cm de revestimento ... 65

Figura 37: Comparação dos perfis térmicos para as diferentes espessuras de argamassa aos 10 minutos de aquecimento ... 66

Figura 38: Comparação dos perfis térmicos para as diferentes espessuras de argamassa aos 17 minutos de aquecimento ... 66

Figura 39: Comparação dos perfis térmicos para as diferentes espessuras de argamassa aos 28 minutos de aquecimento ... 67

Figura 40: Redução na temperatura em função da espessura do cobrimento ... 68

Figura 41: Tensão tangencial para os diferentes cobrimentos aos 300ºC ... 69

Figura 42: Tensão tangencial para os diferentes cobrimentos aos 500ºC ... 69

Figura 43: Tensão tangencial para os diferentes cobrimentos aos 800ºC ... 70

Figura 44: Tensão radial para os diferentes cobrimentos aos 300ºC ... 71

Figura 45: Tensão radial para os diferentes cobrimentos aos 500ºC ... 71

Figura 46: Tensão radial para os diferentes cobrimentos aos 800ºC ... 72

Figura 47: Cisalhamento nos modelos revestidos com 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm submetidos à temperatura de 800ºC ... 73

Figura 48: Cisalhamento para os diferentes cobrimentos aos 300ºC ... 73

Figura 49: Cisalhamento para os diferentes cobrimentos aos 500ºC ... 74

Figura 50: Cisalhamento para os diferentes cobrimentos aos 800ºC ... 74

Figura 51: Influência do tempo de exposição e da espessura da argamassa de

revestimento na temperatura atingida na armadura ... 76

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: TRRF segundo a NBR 14432 (2001) ... 29

Tabela 2: Transformações sofridas pela pasta de cimento durante o aquecimento . 35

Tabela 3: Relação da temperatura com a coloração do concreto... 38

Tabela 4: Reduções da resistência, limite de elasticidade e módulo de elasticidade

do aço de armadura passiva, com relação a temperatura ... 42

Tabela 5: Lista de Modelos Criados ... 50

Tabela 6: Tempo necessário para a armadura chegar aos 500ºC ... 76

Tabela 7: Temperatura média na armadura aos 28 minutos para cada espessura de

revestimento ... 77

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES

ºC Graus Celsius

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

Al Alumínio

ASTM

CaCO

Carbonato de Cálcio

CaO Óxido de Cálcio

C-A-S-H Silicoaluminato de Cálcio Hidratado CH Hidróxido de Cálcio, Portlandita

cm Centímetros

CO

Dióxido de Carbono

C-S-H Silicato de Cálcio Hidratado

𝐸_{𝑐,20 ֯𝐶}

Módulo de elasticidade do concreto em temperatura ambiente

Módulo de elasticidade do concreto em temperatura elevada

EN

Eq. Equação

Fe Ferro

Curva “H” hydrocarbon curve

GPa Gigapascal

H Hidrogênio

ISO

J Joule

K Kelvin

𝑘

Condutividade térmica do material

𝑘_{𝑐𝐸,𝜃}

Redução do módulo de elasticidade em função da temperatura

Kg Quilograma

K

Redução da resistência do aço em função da temperatura

K

Redução do módulo de elasticidade do aço K

Redução do limite de elasticidade do aço

m Metro

m² Metro quadrado

m³ Metro cúbico

MEF Método dos elementos finitos

Mg Magnésio

min Minutos

mm Milímetros

MPa Megapascal

MPCI Medidas de proteção contra incêndio

N Newton

NB Norma Brasileira

NBR Norma Brasileira Regulamentadora

O Oxigênio

Pa Pascal

RN Rio Grande do Norte

RS Rio Grande do Sul

Si Silício

SI Sistema Internacional de Unidades TMC

TRF Tempo de Resistência ao Fogo

TRRF Tempo Requerido de Resistência ao Fogo UFERSA Universidade Federal Rural do Semi-Árido

W Watts

𝜃_𝑔

Temperatura dos gases no ambiente em chamas

σ Tensão normal

τ

Tensão de cisalhamento

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 16

1.1. OBJETIVO GERAL ... 17

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 18

2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 19

2.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE INCÊNDIOS ... 19

2.2. O INCÊNDIO ... 22

2.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 22

2.3.1. Condução de Calor ... 23

2.3.2. Convecção de Calor ... 23

2.3.3. Radiação de Calor ... 23

2.4. MODELOS MATEMÁTICOS DE INCÊNDIOS... 24

2.4.1. Incêndio Real ... 24

2.4.2. Incêndio Padrão ... 25

2.4.3. Incêndio Natural ... 27

2.5. TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRRF) ... 28

2.5.1. Tempo de Resistência ao Fogo (TRF) ... 29

2.6. MEDIDAS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO (MPCI) ... 29

2.7. COMPORTAMENTO DO CONCRETO SOB ALTAS TEMPERATURAS ... 30

2.7.1. Efeito da temperatura nas propriedades térmicas do concreto... 32

2.7.2. Efeito da temperatura na pasta de cimento hidratada ... 34

2.7.3. Efeito da temperatura nos agregados ... 35

2.7.4. Efeito da temperatura nas propriedades físicas do concreto ... 36

2.7.5. Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas do concreto ... 39

2.7.6. Tensões mecânicas no concreto aquecido ... 40

2.7.7. Efeitos da temperatura na armadura do concreto... 42

2.8. INFLUÊNCIA DO MODO DE RESFRIAMENTO ... 42

2.9. CONSIDERAÇÕES SOBRE A VERMICULITA ... 43

2.9.1. Propriedades e Aplicações ... 45

2.9.2. Vermiculita como agregado leve ... 46

2.9.3. Argamassa com adição de vermiculita ... 46

2.10. SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DO

CONCRETO SUBMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS ... 47

3. METODOLOGIA DA SIMULAÇÃO ... 49

3.1. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ... 49

3.2. DESCRIÇÃO DOS MODELOS ... 49

3.3. MODELO BÁSICO SEM REVESTIMENTO... 50

3.3.1. Geometria do modelo ... 51

3.3.2. Carregamento ... 52

3.3.3. Materiais ... 54

3.3.4. Definição das malhas ... 54

3.3.5. Simulação ... 55

3.4. MODELOS COM ADIÇÃO DA CAMADA DE REVESTIMENTO ... 56

3.4.1. Geometria, Carregamento e Materiais do modelo ... 57

3.4.2. Definição das malhas e simulação ... 58

3.5. ANÁLISE TÉRMICA NA ARMADURA DO CONCRETO ... 58

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 59

4.1. ANÁLISE DO MODELO BÁSICO SEM REVESTIMENTO ... 59

4.2. INFLUÊNCIA DA ARGAMASSA DE REVESTIMENTO NO COMPORTAMENTO DO CONCRETO ... 63

4.3. INFLUÊNCIA DA ARGAMASSA DE REVESTIMENTO NO COMPORTAMENTO DA ARMADURA DO CONCRETO ... 75

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 78

REFERÊNCIAS ... 81

1. INTRODUÇÃO

Milhares de incêndios acontecem anualmente no Brasil e no mundo, afetando construções industriais, residenciais e comerciais. Os danos causados vão desde simples manchas causadas pela fumaça, até consideráveis perdas humanas ou materiais, como a perda da resistência dos elementos estruturais e até o colapso total da edificação (LORENZON, 2014).

O concreto é um dos materiais mais utilizados na construção civil, empregado em diversos tipos de estruturas. Esse material apresenta boa resistência e bom desempenho quando submetido a condições de elevadas temperaturas, em comparação a outros materiais, como o aço, por exemplo. Esse comportamento é explicado principalmente pelas suas características de baixa condutividade térmica, incombustibilidade e por não expelir gases tóxicos. Porém, existem casos de incêndios onde o cenário se torna insustentável e as propriedades mecânicas do concreto são tão reduzidas que podem levar ao colapso estrutural (SILVA, 2013).

Diante desse cenário, surgiram vários estudos e pesquisas nos últimos anos com o intuito de diminuir e/ou retardar a perda de resistência do concreto, principalmente no que diz respeitos aos meios de proteção passiva contra incêndio, pois estes, diferentemente dos meios de proteção ativa, como extintores e hidrantes, não necessitam ser acionados para ajudar no combate à essas situações. A proteção passiva atua principalmente de forma a diminuir o tempo para evacuação, e consiste em escadas, portas corta-chamas, pintura anti-fogo, entre outros materiais (SEITO et

Recentemente surgiram pesquisas sobre argamassas leves para revestimento, com substituição ou adição de agregados leves em relação aos tradicionais. O trabalho de Barros (2018), por exemplo, estuda o desempenho termomecânico de uma argamassa para revestimento com substituição parcial do agregado miúdo por vermiculita expandida. Os resultados do trabalho mostraram que essa argamassa apresenta boas propriedades térmicas e bom desempenho nas situações de alta temperatura, atendendo aos padrões de desempenho exigidos na NBR 15575.

Apesar da existência de inúmeros estudos sobre as propriedades

termomecânicas do concreto, poucos relatam a respeito da influência do revestimento

com argamassas nestas propriedades. Assim, surge o questionamento sobre até que

ponto o revestimento do concreto com uma argamassa que apresenta boas

propriedades termomecânicas pode contribuir para melhorar o seu comportamento termomecânico quando submetido a altas temperaturas.

O objetivo deste trabalho é, então, analisar o comportamento termomecânico de concretos revestidos e não revestidos com a argamassa de vermiculita, submetidos à elevadas temperaturas, sendo possível ao final do trabalho avaliar a distribuição de temperatura e de tensões mecânicas para o interior do concreto nas diversas situações. Como também, a influência do revestimento argamassado na proteção do concreto nessas situações, bem como averiguar a temperatura alcançada na posição da armadura do concreto.

O trabalho tem grande importância, pois pretende estudar a contribuição que o revestimento do concreto com a argamassa de vermiculita em substituição ao agregado influencia na proteção passiva do concreto sob altas temperaturas. Estudos dessa amplitude podem apresentar soluções para minimizar a redução de propriedades mecânicas do concreto nessas situações, além de aumentar o tempo de evacuação da edificação.

1.1. OBJETIVO GERAL

O objetivo geral do trabalho é analisar o comportamento termomecânico do concreto quando submetido à elevadas temperaturas, utilizando de simulações numéricas pelo método dos elementos finitos.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Analisar o comportamento termomecânico de corpos de prova de concreto não

revestidos, submetidos a temperaturas de 300ºC, 500ºC e 800ºC com uma taxa de aquecimento de 27,4ºC/min; no que diz respeito a distribuição de temperatura e a atuação das tensões tangenciais, radiais e de cisalhamento;

 Verificar a influência do revestimento argamassado na proteção do concreto,

quando a espessura de cobrimento é de 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm; comparando o avanço da temperatura e a atuação das tensões entre os modelos;

 Examinar a influência do revestimento argamassado na redução da

temperatura média máxima alcançada na posição teórica da armadura do

concreto, definida em 2,5 cm a partir da parede externa do concreto.

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

De forma a atingir os objetivos propostos, o presente trabalho está estruturado

da seguinte maneira: o capítulo 1 contém a introdução e os objetivos do trabalho, a

organização metodológica e as justificativas da pesquisa. O capítulo 2 apresenta a

fundamentação teórica na qual se baseia o estudo. No capítulo 3, são mostrados os

procedimentos metodológicos que foram utilizados para a realização das simulações

e obtenção dos resultados. No capítulo 4 mostramos os resultados obtidos com as

simulações, e as principais discussões acerca dos aspectos que os envolvem. Por fim,

o capítulo 5 apresenta as conclusões e considerações finais referentes ao estudo

realizado bem como as sugestões para trabalhos futuros.

2. REFERENCIAL TEÓRICO

Este capítulo tem como objetivo principal apresentar os aspectos teóricos sobre os incêndios e as alterações nas propriedades do concreto promovidas pelas altas temperaturas.

2.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE INCÊNDIOS

Os incêndios acontecem anualmente em edificações industriais, comerciais e habitacionais. Os danos por eles provocados podem variar desde uma simples mancha devido à fumaça, até consideráveis perdas materiais e/ou humanas, como a destruição total da edificação provocada pela combustão, ou mais comumente pela perda de resistência dos elementos estruturais de concreto. Essa perda estrutural depende do grau de criticidade do incêndio, e pode comprometer a edificação com fissuras, trincas e deformações indesejadas (LORENZON, 2014).

No âmbito global, estudos acerca dos efeitos do fogo em estruturas de concreto são realizados desde o século XIX, sendo que de início eram voltados para concretos de resistência normal sob altas temperaturas. Contudo, com a chegada da modernidade e o surgimento de diversas inovações, o número de pesquisas sobre o tema cresceu consideravelmente nos últimos tempos, abordando concretos de alta resistência em conformidade com normas técnicas sobre o desempenho de estruturas de concreto em situações de incêndio (KLEIN JÚNIOR, 2011).

Já no que diz respeito ao Brasil, as pesquisas relacionadas ao assunto são mais recentes, sendo desenvolvidas a partir da publicação na norma NB 503 (1977) –

“Exigências particulares das obras de concreto armado e protendido em relação à resistência ao fogo”. Sendo assim, as publicações e normas brasileiras sobre o tema são principiantes se comparadas à países como Japão, Reino Unido, Estados Unidos e Suécia (COSTA, 2008).

A importância da segurança em estruturas de concreto contra situações de

incêndio passou a ser mais discutida na mídia brasileira recentemente, principalmente

devido à ocorrência da tragédia na Boate Kiss (Figura 1) em Santa Maria – RS, cujo

incêndio foi provocado por imprudência aliada à más condições de segurança. Apesar

de não causar danos estruturais consideráveis, o incêndio levou a morte de 242

pessoas, fato que provocou uma certa conscientização da população brasileira sobre

a segurança nas edificações do país contra os incêndios (COSTA et al., 2016).

Figura 1: Incêndio na Boate Kiss em Santa Maria - RS

Fonte: AP/Agência RBS (2013).¹

Além de proteger a vida humana, a segurança contra incêndios em edificações também tem objetivo de proteção ao patrimônio, visto que os custos de reparo são elevados. Existem também preocupações quanto aos danos indiretos, como a paralisação das atividades de prédios comerciais, e também quanto à proteção de patrimônios históricos. Dois casos recentes que podem explicar essas preocupações são os incêndios que aconteceram no Mercado Público de Porto Alegre em 2013 e no Museu Nacional do Brasil (Figura 2), no Rio de Janeiro em 2018.

Figura 2: Incêndio no Museu Nacional do Brasil

Fonte: Reuters/Ricardo Marques (2013).²

1 Disponível em: <http://g1.globo.com/rs/rio-grande-do-sul/fotos/2013/01/veja-fotos-da-tragedia-em- boate-do-rs.html/>. Acesso em: 04 mar. 2019.

2 Disponível em: <https://exame.abril.com.br/brasil/cedae-nega-falta-dagua-no-combate-a-incendio-no- museu-nacional/>. Acesso em: 04 mar. 2019.

No âmbito regional, um caso que ganhou bastante notoriedade foi o incêndio que ocorreu em setembro de 2011 no 11º andar do Condomínio Residencial Alto do Tirol (Figura 3), que está localizado na cidade de Natal-RN. Logo após o início das chamas o prédio foi evacuado e o sistema de combate a incêndio, que era composto por portas corta-fogo, sprinklers, hidrantes e extintores, começou a funcionar. Porém, foi relatado pelos bombeiros que a reserva hídrica do prédio era insuficiente e o sistema apresentou problemas após certo tempo. O laudo técnico não identificou nenhuma irregularidade no projeto de combate a incêndio, mas recomendou uma atualização. Com relação aos danos, o laudo apurou que estes foram praticamente restritos ao apartamento em que o sinistro aconteceu, não havendo danos a estrutura, com exceção de parte da laje de forro desse apartamento (CONISA, 2011; TRIBUNA DO NORTE, 2011).

Figura 3: Incêndio em Natal-RN

Fonte: Tribuna do Norte (2011).³

Portanto, a proteção da edificação quanto ao incêndio deve ser prevista para os projetos arquitetônicos, complementares e também para o projeto estrutural, pois os elementos perdem bastante resistência e elasticidade quanto submetidos à elevadas temperaturas, propiciando condições favoráveis para um colapso parcial ou total da edificação (COSTA; STUCCHI; SILVA, 2005).

3 Disponível em: <http://www.tribunadonorte.com.br/noticia/incendio-atinge-10o-andar-no-edificio- torre-do-tirol/196247>. Acesso em: 05 mar. 2019.

2.2. O INCÊNDIO

Um incêndio pode ser caracterizado como a situação que ocorre quando o fogo foge do controle humano, podendo ocasionar prejuízos materiais e humanos. O fogo é um processo químico exotérmico de oxidação caracterizado pela emissão de luz e calor, sendo explicado, segundo Britez e Costa (2011), pela teoria do tetraedro do fogo. De acordo com essa teoria o fogo é formado por 4 componentes: o calor, que dá início ao incêndio; o comburente (oxigênio); o combustível que serve de propagação do fogo, e a reação em cadeia, que torna o processo autossustentável.

A carga de incêndio é representada pela quantidade e tipo do material combustível existente no compartimento em chamas, como materiais a base de celulose ou de hidrocarbonetos, por exemplo (ZABEU, 2011).

Ainda de acordo com Zabeu (2011) existem dois tipos de combustão: a combustão com chamas, que é caracterizada pela propagação do fogo pelo material combustível através da difusão de chamas; e a combustão sem chamas, que é caracterizada pela propagação do fogo por meio da radiação de calor em sólidos compostos de carbono.

2.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Antes de entender como um incêndio afeta os elementos estruturais de uma edificação, é necessário saber como este calor gerado é transferido para esses elementos. Essa transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos possuem diferentes temperaturas e estão sob certa proximidade, existindo três mecanismos principais de transmissão: a condução, a convecção e a radiação, que estão detalhados na Figura 4.

Figura 4: Mecanismos de transferência de calor

Fonte: Lorenzon (2014).

2.3.1. Condução de Calor

A condução é um mecanismo de transferência de calor que ocorre entre corpos (geralmente sólidos) que estão em contato direto. Nesse mecanismo, a energia térmica é transferida do material de maior temperatura para o de menor temperatura, agitando as moléculas e consequentemente elevando a energia cinética do material de menor temperatura. Para materiais de boa condução, essa transferência acontece através da interação dos elétrons livres existente nos corpos. Por isso, materiais que possuem boa condutividade elétrica geralmente também possuem boa condutividade térmica (LIMA, 2005).

2.3.2. Convecção de Calor

A convecção é o mecanismo que envolve a transferência de calor entre um sólido e um fluido, através da movimentação desse fluido, que pode estar no estado líquido ou gasoso. As partículas aquecidas tendem a se movimentar para os locais de menor temperatura, dando oportunidade para as partículas que ainda não foram aquecidas se aqueçam, mantendo o ciclo. Durante um incêndio, o calor transferido por convecção contribui para o alastramento da chama e para o transporte da fumaça e de gases quentes para outros ambientes e para fora do incêndio através das aberturas, como portas e janelas (LIMA, 2005).

2.3.3. Radiação de Calor

A radiação é o mecanismo de transferência de calor que ocorre através de ondas eletromagnéticas, que se propagam no vácuo existente entre corpos separados no espaço. Assim, não há necessidade de os corpos estarem em contato direto para que ocorra transmissão de calor, sendo este mecanismo bem exemplificado pela radiação solar na Terra (LIMA, 2005).

De acordo com Costa (2008) a radiação incidente sobre um corpo não é totalmente absorvida por ele, pois parte é transmitida ou refletida. Essa característica de transmissão do calor radiante é chamada de emissividade, que é um valor variante entre 0 e 1, sendo que quanto mais próximo de 1, maior a capacidade de emissão.

Para o concreto, por exemplo, o valor da emissividade é de 0,7.

Ainda segundo Lima (2005), a radiação é o principal mecanismo de

transferência de calor durante um incêndio, atuando através da difusão das chamas

para as superfícies combustíveis, entre os gases quentes e os objetos da edificação ou entre a própria edificação em que o incêndio está ocorrendo e as edificações vizinhas.

2.4. MODELOS MATEMÁTICOS DE INCÊNDIOS

De acordo com Costa (2008), existem vários fatores que fazem com que as situações de incêndio sejam bastante variáveis, desde o material combustível existente no local do incêndio, a carga do incêndio, a geometria do compartimento (tamanho, forma, piso, teto, etc), a existência de aberturas (portas e janelas), que servem como saída e ventilação, e as propriedades termomecânicas dos materiais constituintes dos elementos estruturais.

Diante das particularidades existentes em cada incêndio, Britez e Costa (2011) afirmam que se torna difícil simular um incêndio real, surgindo assim os diversos modelos matemáticos que relacionam a variação da temperatura em função do tempo de exposição do incêndio, sendo estes modelos conhecidos como curvas-padrão de incêndio.

2.4.1. Incêndio Real

No modelo de incêndio real ocorrem principalmente três etapas, a ignição do fogo, o aquecimento e o resfriamento, sendo que o aquecimento ocorre de maneira rápida a partir da ignição. As fases desse modelo de incêndio podem ser observadas na Figura 5 (LORENZON, 2014).

Figura 5: Fases de um incêndio real

Fonte: Britez e Costa (2011).

Na fase de ignição ocorre o início do incêndio, na qual a temperatura aumenta gradualmente. Esta etapa oferece poucos riscos à segurança estrutural da edificação, porém, a combustão de material pode provocar a geração de gases tóxicos que são nocivos à vida humana. O combate ao incêndio na fase de ignição passa pela presença de meios de proteção ativa, como chuveiros automáticos e hidrantes para apagar as chamas primárias e iluminação de emergência para a saída segura das pessoas da edificação (SOUSA; SILVA, 2015).

Caso o fogo não tenha sido totalmente extinto na fase de ignição, ocorre um fenômeno de inflamação generalizada conhecido como “flashover” que dá início a fase de aquecimento quando toda a carga combustível presente no ambiente entra em combustão. A temperatura é elevada rapidamente até o seu máximo nessa fase, podendo provocar danos estruturais nos elementos da edificação. Assim, se torna imprescindível a presença de meios de proteção passiva contra incêndio, para facilitar a evacuação e reduzir a perda de resistência estrutural (KLEIN JÚNIOR, 2011).

Depois que todo o combustível presente no ambiente de incêndio é consumido, a temperatura dos gases sofre uma gradativa redução de temperatura, levando ao ramo descendente da curva de incêndio real. Essa fase é conhecida como resfriamento (COSTA; SILVA, 2002).

2.4.2. Incêndio Padrão

Conforme já citado anteriormente, o incêndio real é muito difícil de ser simulado devido às particularidades de cada caso. Neste contexto surgiram várias curvas de incêndio padrão do tipo temperatura-tempo dos gases, que podem indicar o comportamento desses gases em um incêndio (KLEIN JÚNIOR, 2011).

Ao contrário do modelo anterior que possui um ramo ascendente e um descendente, as curvas de incêndio padrão possuem apenas o ramo ascendente, ou seja, consideram que a temperatura dos gases é sempre crescente durante o tempo (SOUSA; SILVA, 2015).

Ainda que bastante utilizadas, essas curvas são bastante simplificadas e devem ser analisadas com cuidado, significando apenas uma aproximação e não uma representação completamente fiel da situação de incêndio. (VELARDE, 2008)

A curva-padrão mais utilizada em ensaios e normas é a ISO 834 (1975),

inclusive sendo recomendada pelas normas brasileiras NBR 5628 (2001) e NBR

14432 (2001). Essa curva está detalhada na Figura 6 e representa um incêndio típico

em edificações com carga de incêndio exclusivamente representada por materiais celulósicos, como papel, madeira, tecidos, etc (KLEIN JÚNIOR, 2011).

Figura 6: Curva-padrão ISO 834 (1975)

Fonte: ISO (1975).

Outra curva-padrão muito utilizada é a ASTM E119 (1918), que está representada na Figura 7 e também considera a carga de incêndio da edificação apenas para materiais celulósicos. Os países da América do Norte seguem oficialmente essa curva na realização de seus ensaios (VELARDE, 2008).

Figura 7: Curva-padrão ASTM E119 (1918)

Fonte: Velarde (2008).

Nos casos de incêndios cuja carga é composta por materiais a base de

derivados de petróleo (hidrocarbonetos), a curva-padrão mais recomendada é a

hydrocarbon curve (curva H) desenvolvida pela Eurocode 1 em 2002 e que pode ser

vista na Figura 8 (KLEIN JÚNIOR, 2011).

Figura 8: Curva-padrão H (hydrocarbon curve)

Fonte: Klein Júnior (2011).

Moreno Júnior e Molina (2012) questionam a ausência do ramo descendente da curva, que representa a fase de resfriamento do incêndio real, pois seria nessa fase que alguns elementos estruturais podem recuperar parte da sua rigidez e resistência que foram perdidas durante a fase de aquecimento, corroborando com a ideia anterior de que os modelos de incêndio padrão devem ser aplicados com devidos cuidados.

2.4.3. Incêndio Natural

O modelo de incêndio natural consiste nas curvas de incêndio que simulam com maior fidelidade o que realmente acontece durante um incêndio em uma edificação, pois diferente dos modelos anteriores, as curvas de incêndio natural consideram alguns fatores importantes, como a carga de incêndio, grau de ventilação, geometria e característica térmica dos materiais (KLEIN JÚNIOR, 2011).

As curvas naturais também são conhecidas como compartimentadas, pois através da sua formulação é possível determinar a temperatura de gases em ambientes compartimentados, pois estes modelos consideram as características de isolamento térmico, estanqueidade e estabilidade da vedação, impossibilitando o incêndio de se propagar para fora dos compartimentos (SILVA, 1997).

As curvas de incêndio natural, como a da Figura 9, possuem o ramo

descendente que simula a fase de resfriamento do incêndio real (em tracejado), o que

torna o modelo adequado para estudos avançados. Porém, por se tratar de um modelo bem específico, ele acaba se tornando inviável para fazer uma curva para cada projeto de edificação, pois cada uma tem suas particularidades, que aliadas ao alto custo de ensaios, faz com que a recomendação seja para utilizar os modelos de curva-padrão (KLEIN JUNIOR, 2011).

Figura 9: Curva de Incêndio Natural

Fonte: Silva (1997).

2.5. TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRRF)

O colapso de um elemento estrutural ocorre quando a temperatura a qual ele está submetido é crítica ou máxima. Embora as curvas-padrão não apresentem o ponto onde a temperatura é máxima, é possível atribuir um tempo para esta situação.

Com o intuito de garantir a segurança estrutural em situações de incêndio, o Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) é o tempo mínimo em minutos que os elementos estruturais precisam resistir quando submetidos à uma ação térmica em ensaio de laboratório, sendo encontrado em códigos ou normas (COSTA, 2008).

De acordo com Seito et al. (2008), o TRRF leva em consideração a integridade, estanqueidade e isolamento do elemento, e não pode ser confundido com o tempo de desocupação, tempo de duração do incêndio ou o tempo-resposta do Corpo de Bombeiros. A padronização do TRRF se dá pelo tipo de ocupação, carga do incêndio, altura da edificação, além do risco de incêndio e suas consequências.

A NBR 14432 (2001) - “Exigências de resistência ao fogo de elementos

construtivos das edificações” estabelece os TRRF de acordo com a altura e a

ocupação da edificação para 30 minutos, 60 minutos, 90 minutos e 120 minutos,

conforme a Tabela 1 (COSTA, 2008).

Tabela 1: TRRF segundo a NBR 14432 (2001)

Fonte: Adaptado de Seito et al. (2008).

Esse tempo é importante, segundo Martins (2000), para que haja possibilidade de fuga dos ocupantes da edificação em segurança; segurança dos bombeiros que estão combatendo o incêndio; e a minimização de danos às construções vizinhas e à infraestrutura pública.

Existem ainda outros métodos de cálculo para o TRRF, como o método tabular encontrado na NBR 15200 (2012) – “Projeto de estruturas de concreto em situações de incêndio” e também o método do tempo equivalente do Corpo de Bombeiros de São Paulo, demonstrado na Instrução Técnica nº 08/2011 – “Segurança estrutural nas edificações – resistência ao fogo dos elementos de construção”.

2.5.1. Tempo de Resistência ao Fogo (TRF)

Corresponde ao tempo máximo que um elemento estrutural consegue manter a sua função, antes de atingir um estado limite, que pode ser um colapso estrutural, uma falha de integridade ou as deformações máximas admissíveis. A segurança do elemento contra incêndios será satisfatória quando o seu TRF for maior ou igual ao TRRF (KLEIN JÚNIOR, 2011).

2.6. MEDIDAS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO (MPCI)

De acordo com Seito et al. (2008), a segurança contra incêndio é dividida nos

seguintes grupos: Prevenção de incêndio, Proteção contra incêndio, Combate a

incêndio, Meios de escape e Gerenciamento. As medidas de prevenção dizem

respeito ao controle dos materiais, fontes de calor e treinamento das pessoas; as

medidas de proteção objetivam dificultar a propagação do fogo; e as medidas de

combate compreendem tudo que é usado para combater o fogo, como extintores, hidrantes, etc. Os meios de escape são geralmente medidas de proteção passiva, como escadas, portas corta-fogo, entre outras, e as medidas de gerenciamento são aqueles de administração, como treinamento de equipes.

Dentro das medidas de proteção contra incêndio existem as ativas e as passivas. As medidas ativas (Figura 10) são compostas de equipamentos e instalações prediais que podem ser acionados em casos emergenciais, seja de forma automática ou manual, como extintores, hidrantes, chuveiros automáticos (sprinklers), alarmes, etc. Já as medidas passivas não necessitam de um acionamento para funcionarem, ou seja, elas atuam de forma livre para combater o incêndio, ajudando para diminuir ou retardar a propagação das chamas. São exemplos de medidas passivas a provisão de rotas de fuga seguras, sinalização adequada, portas corta- fogo, pintura anti-chamas, argamassas leves com boas propriedades térmicas, etc (SEITO et al., 2008).

Figura 10: Equipamentos de proteção ativa contra incêndios

Fonte: Tecno Fire – Segurança e combate a incêndio (2019).⁴

2.7. COMPORTAMENTO DO CONCRETO SOB ALTAS TEMPERATURAS

Apesar de possuírem boas propriedades térmicas, como incombustibilidade, baixa condutividade térmica, e não emitirem gases tóxicos ao serem aquecidas, as estruturas de concreto sofrem alterações físicas, químicas e mecânicas quando

4 Disponível em: <http://www.tecnofire.com.br/servicos/bombeiros/contrato-de-manutencao-preventiva-

e-corretiva/>. Acesso em: 04 mar. 2019.

expostas a elevadas temperaturas, tanto do ponto de vista macroestrutural quanto do microestrutural (SILVA, 2013).

No que diz respeito à macroestrutura, as principais alterações que o concreto sofre são mudanças na coloração, principalmente aqueles constituídos de agregados silicosos e calcários, devido à presença de ferro. Além disso, o aumento de temperatura provoca perda na resistência mecânica e redução do módulo de elasticidade. A perda da rigidez da estrutura e a grande heterogeneidade dos materiais provoca uma degradação polifásica das estruturas de concreto (CÁNOVAZ, 1988; SILVA, 2013).

Do ponto de vista microscópico, há uma grande heterogeneidade entre as duas fases (agregado e pasta de cimento) do concreto, principalmente na região conhecida como zona de transição (Figura 11), que se localiza na interface entre a pasta e o agregado, pois nesta região há acúmulo de água e consequentemente menor resistência se comparada às outras fases do concreto (LIMA et al., 2004).

Figura 11: Detalhe da zona de transição

Fonte: Mehta e Monteiro (2008).

Conhecer a macro e microestrutura do concreto é muito importante para entender como a exposição a elevadas temperaturas afeta suas propriedades, pois tanto a pasta de cimento hidratada quanto o agregado se decompõem com o calor.

Além disso, outras variáveis devem ser levadas em consideração no estudo, como o tempo de exposição e a temperatura máxima, as dimensões das peças estruturais, a armadura de aço, o modo de aquecimento e de resfriamento, entre outros (MEHTA;

MONTEIRO, 2008; ZABEU, 2011).

De posse desse conhecimento, os engenheiros se tornam capacitados para desenvolverem projetos de combate a incêndio (Figura 12), garantindo os requisitos mínimos de segurança para a estrutura.

Figura 12: Projeto de combate a incêndio

Fonte: Ferraz Simão – Projetos e Instalações (2019).⁵

Os próximos itens irão explicar com mais detalhes como as altas temperaturas afetam as propriedades térmicas, físicas e mecânicas do concreto, e também os seus efeitos nos dois componentes do concreto (pasta de cimento e agregados).

2.7.1. Efeito da temperatura nas propriedades térmicas do concreto

É de extrema importância estudar as propriedades térmicas do concreto sob ação de altas temperaturas, visto que elas proporcionam uma estimativa de como ocorre a distribuição dos gradientes de temperaturas dentro da estrutura de concreto, auxiliando assim, no dimensionamento de estruturas que consideram ações térmicas (LOREZON, 2014).

Todos os corpos reagem a variações de temperatura sofrendo alterações na sua geometria, ou seja, na sua forma, área e volume. Geralmente, quando ocorre aumento de temperatura os corpos sofrem dilatação, devido ao aumento na agitação das moléculas que os constituem. Da mesma forma, os corpos geralmente sofrem contração quando submetidos a um decréscimo de temperatura (SILVA, 2009).

O coeficiente de dilatação térmica representa a sensibilidade do material em mudar de forma quando ocorre variação de temperatura. Essa propriedade do

5 Disponível em: < http://www.ferrazsimao.com.br/elaboracao-projeto-combate-incendio/>. Acesso em:

04 mar. 2019.

concreto é influenciada pelos diferentes coeficientes de dilatação da pasta de cimento e do agregado (SILVA, 2009).

Outra propriedade importante no estudo é a difusividade térmica, que segundo Britez e Costa (2011) representa a taxa de fluxo de calor sob condições térmicas transientes, ou seja, a facilidade que o concreto suporta mudanças de temperatura. Essa propriedade se relaciona diretamente com o agregado utilizado no concreto. O basalto, muito empregado no Brasil, possui menor difusividade térmica em relação a outros agregados, contribuindo para uma maior estabilidade térmica.

A condutividade térmica diz respeito a capacidade de um material conduzir calor e no concreto é diretamente relacionada ao tipo de agregado e ao grau de saturação, sendo que concretos menos saturados possuem menor condutividade. Os concretos leves apresentam baixa condutividade térmica, logo possuem melhor desempenho ao fogo, uma vez que resistem mais do que concretos convencionais (SILVA, 2009; NEVILLE, 1997).

De acordo com a NBR 15200: Projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio (ABNT, 2012), a relação entre condutividade térmica e temperatura pode ser considerada constante, e possui um valor mínimo de 1,3 W/m.ºC.

O calor específico é uma propriedade bastante afetada pelas variações de temperatura, pois é a capacidade que o material tem de absorver calor do meio externo. Essa propriedade não é tão influenciada pelo tipo de agregado do concreto, pois este possui valor semelhante ao calor específico da pasta, porém o seu valor pode variar em função da umidade (SILVA, 2009; LORENZON, 2014). Segundo a NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimento (ABNT, 2004), o concreto armado tem calor específico na ordem de 10

/ºC.

De acordo com Ripper e Souza (1998), a massa específica do concreto sofre uma redução devido ao aumento de temperatura, pois ocorre a evaporação da água livre e o aumento de volume devido à expansão térmica. Silva (2009) acrescenta que o aquecimento provoca um acréscimo de porosidade, que também é uma causa da redução da massa específica.

A capacidade térmica volumétrica é a quantidade de calor necessária para

elevar uma unidade de temperatura em uma unidade de volume do material, e tem

unidade definida no Sistema Internacional como J/m³.K. Já a capacidade térmica de

massa é a quantidade de calor necessária para elevar uma unidade de temperatura

em uma unidade de massa do material, e no SI a sua unidade é J/kg.K. Para um

material submetido a um fluxo de calor, quanto menor for o valor da capacidade térmica, maior será a sua variação de temperatura.

2.7.2. Efeito da temperatura na pasta de cimento hidratada

O comportamento da pasta de cimento quando submetida à elevadas temperaturas depende do grau de hidratação e do teor de umidade. Existem casos em que a pasta é densa e outros em que ela é porosa. A presença do agregado graúdo provoca descontinuidades na pasta, principalmente na região próxima ao mesmo, conhecida como zona de transição, que apresenta menor resistência que o restante do concreto (LORENZON, 2014).

A pasta contém elevada quantidade de água capilar e adsorvida, que ao sofrerem evaporação, levam a um aumento de pressão de vapor no interior dos poros.

Nos concretos porosos, a pressão de vapor pode ser aliviada pela abertura desses poros; no entanto, nos concretos mais compactos, o alívio de tensão é impedido, provocando tensões localizadas que podem provocar o fenômeno de lascamento (desplacamento) superficial ou spalling (SILVA, 2009).

A temperatura do concreto não aumenta até que toda a água evaporável tenha sido removida, visto que para que a água se transforme em vapor é necessária uma grande quantidade de calor de vaporização. Se a taxa de aquecimento for alta e a permeabilidade da pasta for baixa, o lascamento acontece mais rapidamente (SILVA, 2013).

O lascamento provoca uma perda considerável de material na estrutura, expondo as camadas mais internas e a armadura do concreto à ação do fogo, enfraquecendo gradativamente a estrutura. A combinação desses fatores pode desencadear em um colapso estrutural mais grave, o que obriga o efeito do spalling a ser considerado nos projetos estruturais (COSTA; SILVA, 2004; RIOS, 2005).

Até a temperatura de 80ºC, não ocorrem alterações significativas na pasta de

cimento hidratada. Entre 100ºC e 400ºC, a decomposição dos componentes C-S-H

provocam redução da resistência à compressão e aparecimento de fissuras

superficiais. Entre 400ºC e 600ºC, a pressão de água provoca a desidratação da

portlandita, transformando-a em CaO, e causando a retração da pasta com

aparecimento de microfissuras. Acima de 600ºC o óxido pode se reidratar e formar

novamente a portlandita, causando expansão e fissuração do concreto. Quando a

temperatura ultrapassa os 800ºC, a pasta de cimento começa a sofrer reações

cerâmicas, ao passo que, em 1100ºC ocorre o derretimento completo dos cristais.

Após o resfriamento, as fases cimentícia podem se reidratar e formar diferentes géis ou componentes cristalinos. As partículas anidras permanecem inalteradas no decorrer de todo processo (LIMA, 2005). As transformações sofridas pela pasta de cimento a medida que a temperatura é elevada podem ser resumidas através da Tabela 2 a seguir.

Tabela 2: Transformações sofridas pela pasta de cimento durante o aquecimento

Fonte: Adaptado de Lima (2005) apud Silva (2013).

2.7.3. Efeito da temperatura nos agregados

Os agregados ocupam entre 60% a 80% do volume do concreto e influenciam diretamente no seu comportamento em situações de elevadas temperaturas. Pode-se dizer que o desempenho do concreto nessas situações dependente também das propriedades dos agregados constituintes, como a mineralogia, porosidade, forma, distribuição granulométrica, além das propriedades térmicas (dilatação térmica e condutividade térmica) (SILVA, 2009; ZABEU, 2011; SILVA, 2013).

A variação das propriedades dos diferentes agregados presentes no concreto

influencia diretamente em suas propriedades, como o coeficiente de dilatação e a

condutividade térmica. Além disso, essa diferença pode levar ao aparecimento de expansões internas de diferentes intensidades (LIMA, 2005).

O tipo de agregado empregado na confecção do concreto influencia na sua perda de resistência devido à ação do fogo, conforme mostra a Figura 13, porém a influência do tipo de agregado pode ser considerada desprezível para temperaturas até 500ºC (XIAO e KONIG, 2004).

Figura 13: Redução da resistência em função da temperatura e do agregado

Fonte: Neville (1997).

A dilatação térmica e a porosidade são propriedades importantes no estudo do comportamento dos agregados, pois as expansões térmicas variam de um agregado para outro. Agregados calcários, por exemplo, possuem menos variação nos coeficientes de dilatação térmica entre a matriz e o agregado, o que pode reduzir a possibilidade da manifestação de fissuras e consequente redução da resistência.

Concretos com agregados leves apresentam um decréscimo do módulo de elasticidade mais baixo do que o decréscimo observado nos concretos com agregados silicosos (LIMA, 2005; RIOS; 2005; OLIVEIRA, 2006).

2.7.4. Efeito da temperatura nas propriedades físicas do concreto

As principais mudanças físicas do concreto em situação de incêndio são

alterações em sua coloração e o já mencionado efeito spalling. A difusividade térmica

do concreto é considerada baixa e por isso, quando elementos são expostos a altas

temperaturas ocorre uma lenta transferência de calor para o interior do concreto. Isso dá origem aos gradientes de temperatura, que são diferenças de temperatura entre a superfície aquecida e o interior concreto. Quando o aquecimento do concreto é feito de forma lenta, não há o desenvolvimento de grandes gradientes térmicos, resultando em menor degradação imediata do material (MORALES; CAMPOS; FAGANELLO, 2011).

Um efeito parecido ao spalling é o pipocamento (pop outs), que é basicamente o spalling em pequenas proporções em concretos compostos por agregados silicosos (COSTA; SILVA, 2004). Destaca-se ainda, que se a concentração de umidade no concreto for alta, o material também poderá sofrer descamações profundas chamadas de “sloughing” (COSTA; FIGUEIREDO; SILVA, 2002).

De acordo com Cánovaz (1988) as temperaturas que põem em risco a integridade das peças de concreto só atingem uma profundidade entre 50 mm e 100 mm, exceto em incêndios de grandes durações. A ausência de fissuras pode impedir a liberação da água contida no interior do concreto e provocar lascamentos explosivos. Na Figura 14 pode-se atentar para a aparência de uma laje após um incêndio.

Figura 14: Laje após uma situação de incêndio

Fonte: Lima (2005).

Quanto as alterações na cor do concreto em elevadas temperaturas, tem-se

que as mesmas podem ajudar na descoberta da temperatura máxima, a duração do

incêndio, e as perdas de resistência. Porém, de acordo com Lima (2005), estas

mudanças variam de acordo com o agregado utilizado, sendo mais acentuadas nos concretos produzidos com agregados ricos em sílica do que naqueles com agregados ricos em calcário. Assim, não se deve considerar intacto o concreto só porque ele não apresenta coloração rosácea, e sim que ele apresenta menor teor de ferro.

Até 200ºC a coloração do concreto é acinzentada e ele não apresenta perda significativa de resistência a compressão, e desse ponto até os 300ºC há uma perda de cerca de 10% na resistência. No intervalo entre 300ºC e 600ºC a sua coloração pode variar entre rosa e vermelho, e a resistência a compressão já é de aproximadamente 50%. Entre 600ºC e 950ºC a sua cor passa a ter um aspecto acinzentado com pontos avermelhados, sendo a resistência à compressão muito pequena. De 950ºC a 1000ºC a cor muda para amarelo alaranjado e o concreto começa a sintetizar-se, fenômeno que avança entre 1000ºC e 1200ºC, quando o concreto adquire uma tonalidade amarelo claro e suas resistências são praticamente nulas. A Tabela 3 relaciona o aumento de temperatura com a coloração do concreto e o fenômeno relacionado (LIMA, 2005; SILVA, 2013; LORENZON, 2014).

Tabela 3: Relação da temperatura com a coloração do concreto

Fonte: Neville (1923) apud Morales et al. (2011).

Uma das alternativas para melhorar o comportamento do concreto em

situações como essa é escolher agregados com baixo coeficiente de dilatação térmica

e boa granulometria. Outras propriedades que são adequadas para combater as altas

temperaturas são a baixa condutividade térmica, baixa umidade, alta resistência à tração e boa compactação (LIMA, 2005).

2.7.5. Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas do concreto

Conhecer as propriedades mecânicas do concreto é de fundamental importância para o dimensionamento de elementos que suportem as tensões provocadas pelos carregamentos de altas temperaturas a que estão sujeitos durante um incêndio, sem que ocorra dano estrutural ou deformações excessivas.

Vários fatores influenciam nas propriedades mecânicas dos concretos ensaiados nas condições de elevadas temperaturas, como o método de ensaio, a temperatura, o tempo de exposição, tipo de cura, tipo de resfriamento, tamanho dos corpos de prova, entre outros (SILVA, 2009).

De acordo com Cánovaz (1988), até 200ºC não há perda significativa de resistência; entre 300ºC e 600ºC, o valor da resistência a compressão do concreto pode ser reduzido para 50% do original; entre 600ºC e 950ºC a resistência a compressão já é muito baixa. A sinterização do concreto acontece entre 950ºC até 1200ºC, quando a resistência já é nula e restando somente um material mole e calcinado. A Figura 15 mostra a relação entre a perda de resistência a compressão do concreto, a sua coloração e a temperatura.

Figura 15: Alterações na cor e resistência do concreto em aquecimento

Fonte: Cánovaz (1988).

De acordo com Lima (2005), em menores temperaturas o concreto sofre maior perda na sua resistência a tração quando relacionada à resistência ao cisalhamento, porém as perdas são semelhantes nas temperaturas mais elevadas.

O módulo de elasticidade é outra propriedade mecânica importante, e está relacionada com a capacidade do concreto se deformar elasticamente. Sob condições de alta temperatura, módulo de elasticidade do concreto cai mais rapidamente do que a resistência a compressão, em razão da microfissuração causada pelo aumento da temperatura. Isso ocorre porque a rigidez do compósito é reduzida em função das zonas fragilizadas, isto é, vazios e microfissuras na interface, que não permitem transferência de tensão (SILVA, 2013).

Concretos que utilizam agregados leves, em situações de incêndio reduzem em menor escala o seu módulo de elasticidade quando se comparados aos concretos convencionais com agregados silicosos. A comparação entre a redução do módulo de elasticidade do concreto com agregados silicosos e calcários com o aumento de temperatura pode ser encontrada na Figura 16 (ZABEU, 2011).

Figura 16: Redução do módulo de elasticidade com o aumento de temperatura

Fonte: Zabeu (2011).

2.7.6. Tensões mecânicas no concreto aquecido

As tensões mecânicas são definidas pela intensidade das forças inter-atômicas

no interior de corpos sólidos ou líquidos. Por se tratar de um material sólido, o seu

estado de tensões inclui componentes normais (σ) e de cisalhamento (τ), que

representam a relação entre força e área em cada um dos pontos que compõem o conjunto ao longo da superfície sólida (SOUZA, 2017).

Portanto, as tensões mecânicas possuem dimensão física que comprove essa relação entre força e área, ou seja:

𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 =^{𝑓𝑜𝑟ç𝑎}

á𝑟𝑒𝑎 = ^𝑁

𝑚²= 𝑃𝑎 Eq. 1

Em cada ponto existem 9 componentes de tensão que podem ser visualizadas na Figura 17 e são representadas matematicamente por uma matriz 3x3.

σ_𝑥𝑥 τ_𝑥𝑦 τ_𝑥𝑧 τ_𝑦𝑥 σ_𝑦𝑦 τ_𝑦𝑧

τ_𝑧𝑥 τ_𝑧𝑦 σ_𝑧𝑧

Eq. 2 Figura 17: Cubo de Tensões

Fonte: RESMAT – Anotações da Aula 17 (2019).⁶

O aquecimento da superfície do concreto provoca a formação de gradientes térmicos entre a superfície aquecida e o interior do concreto, em que a temperatura é mais baixa em relação ao exterior. Assim surgem as tensões térmicas, que na superfície são de compressão devido às restrições de dilatação térmica, enquanto no interior do concreto elas são tensões de tração (ZABEU, 2011).

Ainda de acordo com Zabeu (2011), além das tensões térmicas provocadas pelo aquecimento existem ainda tensões provocadas pela pressão do vapor nos poros do concreto, que contribuem bastante para o lascamento. As tensões térmicas acrescidas da pressão nos poros e das tensões de compressão e tração provocadas pelo carregamento original da estrutura definem um estado tridimensional de tensões.

6 Disponível em: <https://biztechbrz.wordpress.com/2011/03/09/resmat-anotacoes-aula-17/>. Acesso

em: 04 mar. 2019.

2.7.7. Efeitos da temperatura na armadura do concreto

O aço utilizado como armadura tradicional do concreto pode sofrer uma perda considerável em sua resistência quanto submetido à elevadas temperaturas. De acordo com Costa e Silva (2002), para temperaturas inferiores a 400ºC o aço pode recuperar parte da sua resistência após o resfriamento. Após este patamar ocorre uma perda progressiva de resistência, que se anula aos 1200ºC. A Tabela 4 mostra os coeficientes de redução para a resistência (K

), o limite de elasticidade (K

) e o módulo de elasticidade (K

) do aço de armadura passiva.

Tabela 4: Reduções da resistência, limite de elasticidade e módulo de elasticidade do aço de armadura passiva, com relação a temperatura

Fonte: EN 1992:1-2:2004 apud Costa (2008).

Outra característica importante do aço submetido a altas temperaturas é que ele sofre maior dilatação se comparado ao concreto que o confina, fato esse que pode comprometer a zona de aderência entre os materiais. Essa perda de aderência inicia aos 100ºC e varia com a temperatura imposta, alcançando a totalidade aos 600ºC, levando também em consideração o tempo de exposição (COSTA, 2008).

2.8. INFLUÊNCIA DO MODO DE RESFRIAMENTO

A maneira como o concreto é resfriado também é bastante significativa na

redução da resistência à compressão. Até os 400ºC, o resfriamento brusco, ou seja,

com água, provoca a expansão dos óxidos de Cálcio e consequentemente fissuras no