Rio de Janeiro 2014

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

Cap ALEXANDRE ANTONIO SILVA PAIVA

ESTUDO DO EFEITO DA TEMPERATURA EM CONCRETOS E

EM PAVIMENTO RÍGIDO

Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transporte do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.

Orientador: Prof. Luiz Antonio Vieira Carneiro - D.Sc.

Co-orientador: Prof. Carlos A. B. de Vasconcellos - D.Sc.

Rio de Janeiro

2014

2 c2013

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270

Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí- lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor e dos orientadores.

624.1834 Paiva, Alexandre Antonio Silva.

P149e Estudo do efeito da temperatura em concretos e em pavimento rígido/ Alexandre Antonio Silva Paiva; orientado por Luiz A. V. Carneiro e Carlos A. B. de Vasconcellos. – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2014.

215 p.: il.

Dissertação (mestrado) – Instituto Militar de Engenharia – Rio de Janeiro, 2014.

l. Engenharia de Transportes – Teses, dissertações. 2.

Pavimentação. 3. Concreto. 4. Temperatura. I. Carneiro, Luiz A. V II. Vasconcellos, Carlos A. B. III. Título IV. Instituto Militar de Engenharia.

CDD 629.04

3

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

Cap ALEXANDRE ANTONIO SILVA PAIVA

ESTUDO DO EFEITO DA TEMPERATURA EM CONCRETOS E EM PAVIMENTO RÍGIDO

Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transporte do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.

Orientador: Prof. Luiz Antonio Vieira Carneiro - D.Sc.

Co-orientador: Prof. Carlos Alexandre Bastos de Vasconcellos - D.Sc.

Aprovada em 25 de fevereiro de 2014 pela seguinte Banca Examinadora:

Prof. Luiz Antonio Vieira Carneiro – D.Sc. do IME – Presidente

Prof. Carlos Alexandre Bastos de Vasconcellos – D.Sc. do IME

Prof. Eduardo Christo Silveira Thomaz, Emérito – M.Sc. do IME

Prof

. Regina Helena Ferreira Souza – D.Sc. da UERJ

Prof

. Flávia Moll de Souza Júdice – D.Sc. da UFRJ

Rio de Janeiro

2014

4

A Deus, aquele que tudo nos dá, à Patrícia, minha querida esposa e fiel companheira, Samuel e Maria Fernanda, bênçãos em minha vida e a meus pais, que nunca desistiram de investir em mim e meus irmãos e

que, sem a perseverança e fé deles,

teria sido muito difícil chegar até aqui.

5

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, o grande responsável pela realização deste trabalho, pois com ele me deu o discernimento correto para sua realização e interpretação. Foi Ele quem me protegeu nos procedimentos experimentais ao manusear equipamentos, ácidos e concretos em elevada temperatura, e deu a sua paz a mim e à minha família para suportar a distância e a ausência de ambos e manter a nossa união.

Á minha esposa, Patrícia e meus filhos, Samuel e Maria Fernanda pela ajuda, compreensão e estímulo e que, juntamente com os meus pais e irmãos são a família que tanto amo a qual dedico a minha vida e, sem dúvida, depois do Senhor, é a eles a quem dedico cada minuto de esforço meu que foi empreendido nesta dissertação.

Agradeço de uma maneira especial aos meus orientadores o TC Carneiro pela forma que conduziu os trabalhos, com sensatez e tranquilidade, o que me proporcionou uma segurança e quietude necessárias para a boa execução desta tese e ao Maj Vasconcellos pela disponibilidade, preocupação e dedicação constante, pelo “encurtar das distâncias” e pelo trabalho de ourive da metodologia da escrita científica que realizou nos nossos artigos e nesta dissertação.

Ao Maj Rhoan Carlos e ao Cap Lefone, pela importantíssima ajuda na confecção dos concretos e pela contínua companhia que suavizou a permanência em longos períodos de ensaio no laboratório.

Agradeço ao Prof. Gabriel Nascimento da UFF/RJ pela amizade e valorosa cooperação nos trabalhos de modelagem numérica.

Também agradeço ao SC Wanderley e Sd Fonseca do SE/2, pela lealdade e preciosa ajuda nos na execução dos trabalhos experimentais;

Ao Cel Henrique, TC William e Sgt Fernando do SE/4 pela disponibilidade e apoio irrestritos nos experimentos de elevação da temperatura.

Agradeço ao TC Marcelo Reis e Prof. J. C. Amorim pelo disponibilizar os equipamentos do Laboratório de Hidráulica para a realização do ensaio de envelhecimento acelerado e ao SC José Carlos pela ajuda na realização dos referidos ensaios.

Não poderia deixar de ressaltar a minha gratidão ao SC Joel do LEM do SE/4,

pela pré-disposição desprendida e amigável em ajudar na realização de obtenção

das imagens do MEV; e

6

Ao Prof. Luiz Pizzaro e a Ten Beatriz Ferreira do SE/5, pela disponibilização de material e ajuda na análise químico-quantitativa do ensaio de envelhecimento acelerado.

Por fim, agradeço a todos os integrantes do SE/2 e do IME pelo período de

convivência e que direta ou indiretamente tiveram a sua participação neste trabalho,

estas palavras não materializam o grande sentimento de gratidão que tenho por

todos, que Deus os abençoe.

7

“Pensai que com vossa atividade profissional realizada com responsabilidade, além de vos sustentardes economicamente, prestais um serviço diretíssimo à sociedade e aliviais as cargas dos outros em nível local e universal”.

Pe Josémaria Escrivá

8 SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS... 12

LISTA DE SIGLAS... 13

1. INTRODUÇÃO ... 15

1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 15

1.2. OBJETIVOS ... 16

1.2.1. OBJETIVO GERAL ... 16

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 16

1.3. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA DO TEMA ... 16

1.4. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 17

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19

2.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 19

2.2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA FÍSICO ... 20

2.2.1. CONDUÇÃO ... 20

2.2.2. CONVECÇÃO ... 24

2.2.3. RADIAÇÃO ... 25

2.2.4. MECANISMOS COMBINADOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR ... 27

2.3. CARACTERÍSTICAS DOS INCÊNDIOS ... 28

2.3.1. TEMPERATURA DOS GASES ... 28

2.3.2. INCÊNDIO PADRÃO ... 29

2.3.3. COMPORTAMENTO DO CONCRETO SOB ELEVADAS TEMPERATURAS ... 32

2.3.4. O FENÔMENO DO SPALLING ... 34

2.3.5. PROTEÇÃO PASSIVA DO CONCRETO AO FOGO ... 36

2.3.6. VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA COM A ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA ... 38

2.4. PARÂMETROS TÉRMICOS DO CONCRETO ... 42

2.4.1. CONDUTIVIDADE TÉRMICA OU COEFICIENTE DE CONDUÇÃO DE CALOR ( ) ... 43

2.4.2. CAPACIDADE DE CALOR EM MASSA OU CAPACIDADE DE CALOR ESPECÍFICO ( ) ... 44

2.4.3. PESO ESPECÍFICO ( ) ... 45

3. MATERIAIS E CONCRETOS ... 48

3.1. DIMENSÕES DOS CORPOS DE PROVA PRISMÁTICOS ... 48

9

3.2. CONCRETOS ... 52

3.2.1. DISTRIBUIÇÃO DOS LOTES DOS CONCRETOS ... 53

3.3. MATERIAIS... 57

3.3.1. CIMENTO PORTLAND ... 57

3.3.2. AGREGADO MIÚDO ... 58

3.3.3. AGREGADOS GRAÚDOS ... 60

3.3.4. SUPERPLASTIFICANTE... 63

3.3.5. FIBRA DE POLIPROPILENO ... 63

3.4. DOSAGEM DOS CONCRETOS ... 64

3.1. MOLDAGEM E CURA DOS CORPOS DE PROVA... 70

3.1.1. CURA DOS CORPOS DE PROVA ... 73

3.1.2. IDENTIFICAÇÃO DOS LOTES DOS CORPOS DE PROVA ... 74

4. ENSAIOS REALIZADOS ... 76

4.1. ULTRASSOM ... 76

4.2. ESCLEROMETRIA ... 78

4.3. ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA ... 80

4.4. ENVELHECIMENTO ACELERADO ... 88

4.5. ENSAIOS DE DETERMINAÇÃO DAS RESISTÊNCIAS ... 98

4.5.1. ENSAIOS DE COMPRESSÃO CENTRADA ... 98

4.5.2. ENSAIO DE FLEXÃO ... 98

4.6. ANÁLISE MICROSCÓPICA DO CONCRETO ... 101

4.7. MEDIÇÃO DO CALOR INTERNO DO CONCRETO ... 103

5. ESTUDO NUMÉRICO ... 106

5.1. EFEITO DA TEMPERATURA EM PAVIMENTOS RÍGIDOS ... 106

5.2. MODELAGEM DO RESFRIAMENTO INTERNO DOS CONCRETOS ... 114

5.3. PARÂMETROS PARA AS MODELAGENS NUMÉRICAS DOS CONCRETOS ... 115

6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E NUMÉRICOS ... 115

6.1. RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 115

6.1.1. CONCRETAGEM VERMELHA ... 117

6.1.2. CONCRETAGEM MARROM ... 122

6.1.3. CONCRETAGEM AZUL ... 127

6.1.4. CONCRETAGEM VERDE ... 133

6.1.5. CONCRETAGEM AMARELA ... 139

6.1.6. CONCRETAGEM DO ENVELHECIMENTO ACELERADO ... 147

6.1.7. CONCRETAGEM DO EFEITO TAMANHO ... 154

6.1.8. IMAGENS MICROSCÓPICAS OBTIDAS VIA MEV... 157

10

6.1.9. MEDIÇÃO DO CALOR INTERNO DO CONCRETO ... 162

6.2. RESULTADOS NUMÉRICOS... 164

7. ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ... 168

8. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 207

REFERÊNCIAS ... 211

11

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ABREVIATURAS

SC - Servidor Civil

Sd - Soldado

Ten - Tenente Cap - Capitão Maj - Major

TC - Tenente Coronel Cel - Coronel

SÍMBOLOS

 - Massa específica q - Fluxo de calor

k - Condutividade térmica do material K - Termopar - Cromel/ Alumel

T - Temperatura

- Condutividade térmica do concreto C - Calor específico do concreto

- Peso específico do concreto

h - Coeficiente de transferência de calor por convecção E - Emissividade do corpo negro

ε - Emissividade

σ - Constante de Stefan-Boltzmann

d - Dimensão básica do corpo de prova

D - Diâmetro máximo do agregado

12 LISTA DE SIGLAS

A/C Relação água/ cimento

SE/2 Seção de Engenharia de Fortificação e Construção SE/4 Seção de Engenharia Mecânica e Materiais

SE/5 Seção de Engenharia Química LEM Laboratório de Ensaios Mecânicos PP Polipropileno

ARCSR Aquecimento de concreto de resistência convencional e ruptura sem o seu resfriamento

AARSR Aquecimento de concreto de alta resistência e ruptura sem o seu resfriamento

ARCRE Aquecimento de concreto de resistência convencional e ruptura após o seu resfriamento com extintor

ARCRA Aquecimento de concreto de resistência convencional e ruptura após o seu resfriamento com água

ARCRAR Aquecimento de concreto de resistência convencional e ruptura após o seu resfriamento ao ar

PA Para Análise

MEV Microscópio Eletrônico de Varredura CP Corpo de prova

CCR Concreto Compactado a Rolo

13 RESUMO

O presente trabalho objetivou realizar o estudo do efeito da ação da temperatura em concretos e em pavimento rígido. Um programa experimental foi elaborado para a investigação das resistências à compressão e à tração na flexão, além do índice esclerométrico e da velocidade de propagação das ondas ultrassônicas de concretos com ou sem fibra de polipropileno. Os parâmetros variados neste programa experimental foram a resistência média à compressão do concreto (fc = 35 MPa e 50 MPa), o teor volumétrico da fibra de polipropileno (0,00%, 0,15% e 0,30%), a temperatura (25

C, 300

C, 600

C e 900

C) e a condição de exposição à época dos ensaios (sem resfriamento, com resfriamento e ciclos de envelhecimento acelerado) dos concretos. Foi elaborada também uma modelagem computacional dos efeitos da variação de temperatura sobre pavimentos de concreto utilizando o método de elementos finitos (MEF), tendo sido considerados os efeitos da termo-expansão e dos gradientes de temperatura.

Constatou-se que quanto maiores a temperatura e a intensidade de envelhecimento, menores os valores de resistências à compressão e à tração na flexão dos concretos. Concluiu-se que os efeitos da temperatura são quantitativamente relevantes e que devem ser considerados no dimensionamento de pavimentos rígidos.

Palavras-Chave: Concreto, pavimento rígido, calor, alta temperatura,

modelagem numérica.

14 ABSTRACT

This study aimed to studying the temperature effect on concrete and rigid pavement. An experimental program was carried out to investigate the compressive and flexure tensile strength, beyond the hammer rebound number and the velocity of ultrasonic waves propagation in concrete with and without polypropylene fiber. The parameters varied in this experimental program were the mean compressive strength of concrete (fc = 35 MPa and 50 MPa), the volumetric content of the polypropylene fiber (0.00%, 0.15 % and 0.30 %), the temperature (25

C , 300

C , 600

C and 900

o

C) and exposure condition at the time of testing (without cooling, with cooling, and accelerated aging cycles) of concrete. It has also developed a numerical modeling of the temperature variation effects on concrete pavements using the finite element method (FEM). In this modeling, the effects of thermal expansion and temperature gradients were considered. It was found that the higher the temperature and the intensity of aging, lower values of compressive and flexure tensile strength of concrete. It was concluded that temperature effects are quantitatively relevant and should be considered in the design of rigid pavements.

Key words: Concrete, rigid pavement, heat, high temperature, numerical

modeling.

15 1. INTRODUÇÃO

1.1. Considerações Iniciais

De acordo com GUO e SHI (2011), quando uma estrutura é aquecida, o comportamento mecânico do concreto se deteriora, a deformação dos membros estruturais aumenta, e a capacidade de carga diminui. Nesse meio tempo, a distribuição de temperatura não uniforme da estrutura provoca tensões térmicas e há a redistribuição das tensões sobre a sua seção e a redistribuição das forças internas na estrutura estaticamente indeterminada. Assim, as respostas mecânicas da estrutura a uma temperatura elevada, incluindo as forças internas, deformação e capacidade de suporte, dependem dos campos de temperatura e as suas variações na estrutura e nos seus componentes estruturais.

Em caso de incêndio em uma estrutura, a temperatura do fluxo térmico circundante aumenta rapidamente e varia continuamente. Em seguida, a estrutura é aquecida, a temperatura da sua superfície eleva rapidamente, o calor e penetra gradualmente no interior da estrutura por meio da ação do fenômeno da condução.

Como o concreto é um material de inércia térmica, a distribuição de temperatura não uniforme no interior da estrutura e varia continuamente enquanto durar o fogo. Deste modo, este é um problema de um campo de temperatura dinâmico ou transiente.

Por outro lado, as respostas mecânicas de uma estrutura a uma temperatura elevada não alteram a distribuição de temperatura existente, na maioria dos casos.

Isso só ocorre quando ocorrem fissuras muito grandes no concreto e o fluxo de calor penetra seu interior. A temperatura pode variar localmente, dentro de uma pequena área próxima.

Portanto, quando à análise mecânica de uma estrutura a temperatura elevada e o projeto de resistência ao fogo ou verificações em uma estrutura são executados, o campo da temperatura da estrutura tem de primeiramente ser analisado, e as forças internas e capacidade de carga (ou de resistência ao fogo) devem então ser verificadas, conforme GUO e SHI (2011).

No caso de pavimentos rígidos, segundo BALBO (2009), o clima exerce

efeitos térmicos significativos em pavimentos rígidos. Ao longo do dia, a placa de

concreto é submetida à radiação solar, sendo a temperatura variada ao longo da sua

16

espessura. A variação de temperatura gera gradientes térmicos que resultam em esforços no pavimento rígido. Estes esforços, embora não imponham alterações microestruturais importantes em concretos, influenciam o comportamento macroestrutural do pavimento.

1.2. Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo realizar o estudo do efeito da ação da temperatura em concretos e em pavimento rígido.

1.2.1. Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é estudar o comportamento de concretos sem ou com fibras de polipropileno submetidos a altas temperaturas e ao envelhecimento acelerado.

1.2.2. Objetivos Específicos

Os objetivos específicos deste trabalho são os seguintes:

- Apresentar uma modelagem computacional da transferência de calor em pavimento rígido, referente ao projeto de adequação da capacidade de tráfego da Rodovia BR-101, no Estado de Sergipe, no Lote 2, cuja execução está a cargo do Exército Brasileiro, e ao estudo de PEREIRA (2001), que abordou pavimento de concreto whitetopping ultradelgado.

- Elaborar um programa experimental para execução de ensaios não- destrutivos (esclerometria e ultrassom), de ensaios destrutivos (compressão centrada e flexão), e de ensaios de envelhecimento acelerado (ciclos de solução ácida e aquecimento em estufa).

- Fazer uma análise do efeito de tamanho em corpos de prova prismáticos de concreto sem fibras de polipropileno.

1.3. Justificativa e Relevância do Tema

17

A temperatura no concreto é um parâmetro influente nas suas propriedades, assim como o clima e a chuva ácida. Faz-se necessário a análise quanto à capacidade de suporte residual do concreto após serem submetidas à elevação de temperatura com ou sem resfriamento subsequente para o dimensionamento e projeto de estruturas de concreto, incluindo pavimentos rígidos.

1.4. Estrutura da Dissertação

Esta dissertação foi estruturada em capítulos divididos de acordo com a descrição abaixo:

- Capítulo 1 – Introdução: neste capítulo é feita uma breve introdução sobre o assunto, além de apresentados o objetivo do trabalho, a justificativa e relevância, assim como sua organização;

- Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica: foram abordados a descrição do problema físico, são explicados os tipos de incêndios, os principais fenômenos e aspectos relativos aos efeitos das altas temperaturas nos concretos e como as propriedades deste material se modificam nesta situação;

- Capítulo 3 – Programa Experimental: neste capítulo, são apresentados os materiais a serem utilizados na confecção dos concretos e são descritos os grupos de concreto para execução do programa experimental proposto;

- Capítulo 4 – Ensaios Realizados: este capítulo descreve todos os experimentos não destrutivos e destrutivos que foram realizados nos corpos de prova de concreto;

- Capítulo 5 – Estudo Numérico: é apresentado os trabalhos de modelagem

numérica para o estudo do efeito da temperatura em pavimentos rígidos e concretos.

18

- Capítulo 6 – Resultados Experimentais e Numéricos: são apresentados de maneira gráfica e em tabelas, os resultados experimentais dos ensaios realizados, assim como também são apresentados os resultados das modelagens numéricas realizadas;

- Capítulo 7 – Análise dos Resultados: dando continuidade ao capítulo anterior, é feita uma análise dos resultados obtidos comparando-os entre si e com resultados esperados da bibliografia apresentada;

- Capítulo 8 – Conclusões e Sugestões para trabalhos futuros: neste capítulo, é feita uma conclusão acima dos resultados obtidos e também se propõem melhorias a serem adotadas em ensaios futuros que são fruto do conhecimento adquirido na presente pesquisa;

- Referências Bibliográficas: No fim deste trabalho encontram-se as

referências bibliográficas consultadas no presente trabalho.

19 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Considerações Iniciais

O aumento da temperatura dos elementos estruturais, em decorrência da ação de um incêndio, causa redução da resistência e do módulo de elasticidade do concreto, bem como, eventualmente, o aparecimento de esforços solicitantes adicionais decorrentes das restrições às deformações de origem térmica. Esta ação térmica é a ação na estrutura é descrita por meio do fluxo de calor, por condução, convecção provocada pela diferença de temperaturas entre os gases quentes do ambiente em chamas e os componentes da estrutura e por radiação (SILVA, 2012).

Uma estrutura projetada seguindo as normas atuais deve satisfazer aos requisitos de desempenho de utilização e de segurança. No entanto, se a temperatura ambiente aumenta muito, a estrutura pode não atender aos requisitos de desempenho em serviço, ou se deteriorar ou diminuir sua resistência. Por vezes, a estrutura pode sofrer danos locais ou até mesmo ter o seu colapso parcial ou total.

Na engenharia estrutural, problemas térmicos devido à elevação de temperatura podem ser classificados de duas formas:

- No primeiro caso, quando a ação da alta temperatura é mantida durante um longo período de tempo dentro das condições de trabalho do edifício. Como exemplo, citam-se: algumas estruturas em oficinas metalúrgicas indústria química sujeitas à radiação de alta temperatura ao longo do ano, podendo atingir 200°C ou mesmo superior; chaminé de fumaça jorrando gases com fumaça em alta temperatura, com o seu revestimento interno pode atingir de 500 ºC a 600 °C e temperatura sobre a superfície externa podendo atingir de 100 ºC a 200 °C, reservatórios de contenção e estruturas de uma usina de energia nuclear do reator, com temperatura podendo chegar a 120°C ou até mais em alguns locais específicos, e

- Quando o impacto da alta temperatura em um curto período de tempo é

causado por acidentes ocasionais. Por exemplo, um incêndio num edifício pode

durar algumas horas, e a temperatura máxima do fogo pode atingir 1.000°C ou mais

dentro de apenas 1 h. Se ocorrer uma explosão química ou nuclear ou de um

20

acidente em uma usina nuclear, a temperatura pode chegar a vários milhares de graus centígrados ou até mais em questão de segundos (GUO e SHI, 2011).

2.2. Descrição do Problema Físico

O calor é um tipo de energia que se transfere de um corpo para outro em função de uma diferença de temperatura entre eles (WANG E ANDERSON, 1982).

As relações entre as propriedades de um sistema e as trocas de calor e trabalho com sua vizinhança são alvo de estudo da termodinâmica, fornecendo informações a respeito da quantidade de energia necessária para um sistema passar de um estado inicial para um final num processo termodinâmico.

Além do conhecimento da distribuição de temperatura nos corpos, também é possível se determinar uma grandeza denominada fluxo de calor, que se traduz através de uma taxa de calor transferido por unidade de tempo por unidade de área.

A determinação da distribuição de temperatura e do fluxo de calor é algo que interessa a muitos ramos da ciência e da engenharia (OZISIK, 1985). Nas aplicações de aquecimento de materiais de construção sujeitos à ação de incêndio, a análise conveniente da transferência de calor é fundamental, a fim de que se avalie o desempenho desses produtos após variações bruscas de temperatura ou elevação suaves a temperaturas elevadas. Os três fenômenos que agem na transferência de calor são a condução, a convecção e a radiação, os quais serão descritos a seguir.

2.2.1. Condução

Condução é o modo pelo qual o calor é transferido de uma região de alta temperatura para uma de baixa temperatura, nos fluidos estáticos, devido ao movimento e impacto direto entre as moléculas, e entre os elétrons, nos metais.

Assim, as características dos materiais envolvidos num processo de condução afetam diretamente a troca energética dos corpos (OZISIK, 1985).

A lei que rege a condução de calor é conhecida como lei de Fourier, em

homenagem ao matemático francês. Essa lei estabelece que a taxa de fluxo de calor

devido à condução, em uma dada direção, é proporcional à área normal à direção do

21

fluxo e gradiente de temperatura na direção considerada (Ozisik, 1985). Cuja formulação é:

q = −k∇T EQ. 2.1

onde, representa o fluxo de calor, k é a condutividade térmica do material e ∇T é o gradiente de temperatura.

O valor de condutividade térmica k apresenta uma grande distribuição de valores devido aos diversos tipos de materiais existentes. Os valores mais baixos correspondem aos gases não metálicos e os mais altos aos metais sólidos, estando os sólidos não metálicos e os líquidos em uma faixa intermediária.

Além de depender das características do material, a condutividade térmica também varia com a temperatura. Para alguns materiais essa variação é desprezível dentro de certos intervalos de temperatura, mas na maioria dos casos ela é significativa. Os valores de k variam de forma elevada para temperaturas muito elevadas (KREITH, 2003).

Segundo GUO e SHI (2011), quando uma estrutura é submetida a um incêndio, a temperatura do fluxo térmico circundante aumenta rapidamente e varia continuamente. Em seguida, a estrutura é aquecida, a temperatura da sua superfície eleva rapidamente, o calor penetra gradualmente no interior da estrutura por meio da ação do fenômeno da condução.

Como o concreto é um material de inércia térmica, a distribuição de temperatura não uniforme no interior da estrutura varia continuamente enquanto durar o fogo. Deste modo, esse é um problema de um campo de temperatura dinâmico ou transiente.

Ainda segundo GUO e SHI (2011), a análise do campo de temperatura de uma estrutura é baseada na condução de calor da matéria sólida. A equação diferencial de condução de calor pode ser desenvolvida e a solução encontrada.

O concreto em uma estrutura é considerado como sendo um material

isotrópico, e os parâmetros térmicos, isto é, λ (Condutividade térmica), C (Calor

específico) e (Peso específico), são conhecidos e são funções de temperatura. Um

elemento infinitesimal dx dy dz é tomado a partir da estrutura perto de um ponto

22

arbitrário (x, y, z) em coordenadas cartesianas, FIG. 2.1, a sua temperatura interna se presume ser uniformemente distribuída como T (x, y, z, t) no momento t.

FIG. 2.1 Análise do fluxo de calor em um elemento infinitesimal (GUO e SHI, 2011).

O elemento infinitesimal sob a ação térmica experimenta a troca de calor em sua superfície. Considerando inicialmente a direção X, as quantidades de calor que fluiem para dentro e para fora do elemento infinitesimal, através de unidade de área dentro unidade de tempo, são q

e q

, respectivamente. Elas podem ser obtidas como se segue, de acordo com a definição do coeficiente de condução de calor:

x - T q



   EQ. 2.2

e

dx T ) x ( x - - T x

q q q

dx x











 



 



   EQ. 2.3

A área do elemento infinitesimal perpendicular à direção X é dy dz, de modo que o aumento da quantidade de calor no cubóide por unidade de tempo será:

x ) ( T ) x

q

(q

dydz dxdydz







 



 _{EQ. 2.4}

23

Da mesma forma, obtendo as quantidades de calor nas direções no Y e Z, tem-se a quantidade total de calor na unidade de tempo dentro elemento infinitesimal é:

T ) ( y ) ( T x )

( T

x dxdydz

z z

y 





 









 







 







    _{EQ. 2.5}

Além disso, se o material puder gerar-se calor, por exemplo, calor de hidratação do cimento ou queima de materiais combustíveis misturados no concreto, tamém existirá a quantidade de calor gerado por unidade de volume da unidade de tempo dentro do elemento infinitesimal q

, então a quantidade de calor gerado no elemento infinitesimal na unidade de tempo será:

dxdydz

q

_{EQ. 2.6}

Como o calor é absorvido pelo elemento infinitesimal a temperatura aumenta.

Se o aumento de temperatura por unidade de tempo é ∂T/ ∂t, a quantidade total de calor absorvido na unidade de tempo dentro do elemento infinitesimal será:

T dxdydz t

C 





EQ. 2.7

conforme a definição da capacidade de calor específico.

De acordo com os princípios da conservação de energia, a soma das quantidades de calor, que entra ou sai do elemento infinitesimal através das suas superfícies e gerado no seu interior deve ser igual à quantidade de calor absorvida por causa do aumento de temperatura ou libertada devido a redução da temperatura, respectivamente, no elemento infinitesimal. Utilizando as EQ , teremos:





   

 C

q z

y x C

T

 





 

 



 











 

 



 









 

 

 











 





z T y

T T

x 1

t ^{EQ. 2.8}

24

Esta é a equação diferencial parcial de difusão de calor transiente.

Em geral, o concreto não é projetado para gerar calor, fonte nulo ( q

= 0), quando uma estrutura a uma temperatura elevada (ou a resistência ao fogo) é analisada.

Se a temperatura do ambiente em torno da estrutura não é variável, a temperatura interna da estrutura também não é variável com o tempo. Isto significa

∂T/ ∂t = 0, e quando q

= 0, a Eq pode ser simplificada:

z 0 T y

T T

x  





 

 



 











 

 



 









 

 

 











   

z y

x ^{EQ. 2.9}

Esta é a chamada equação de condução de calor estacionária. As equações acima podem ser utilizadas para analisar qualquer estrutura tridimensional. Para os membros lineares, como, por exemplo, uma viga e um pilar, que são mais comumente utilizados na prática, geralmente assume-se que as temperaturas ao longo da linha de eixo são idênticas, e no campo da temperatura é simplificada para um campo de duas dimensões na sua seção.

Para os membros planos, tais como uma parede e uma placa de concreto, o campo de temperatura é ainda simplificado para um campo de uma dimensão ao longo do sentido da sua espessura.

2.2.2. Convecção

Segundo (SILVA, 2012), a convecção é um processo pelo qual o calor flui, envolvendo movimentação de mistura de fluido, principalmente entre sólidos e fluidos. Decorrente da diferença de densidades entre os gases com diferentes temperaturas no ambiente em chamas, eles se movimentam e tocam as estruturas transferindo-lhes calor (fluxo convectivo).

O modo de transferência de calor através de convecção compreende dois

mecanismos que ocorrem simultaneamente, ambos com deslocamento de massa

fluida. Primeiramente, tem-se a condução, devido aos altos gradientes de

temperatura, seguido de movimentos macroscópicos de massa. O movimento de

fluido se dá pela ação de uma força externa, acontecendo devido à diferença de

25

densidade (convecção natural) ou a uma diferença de pressão gerada por uma bomba ou ventilador (convecção forçada).

Quando ocorre o movimento de um fluido sobre uma superfície sólida, é possível, de maneira geral, dividir o campo de velocidades em duas regiões principais, segundo a teoria da camada limite hidrodinâmica. Junto à superfície sólida, há uma região com grandes velocidades chamada camada limite; mais distante dessa superfície há uma distribuição uniforme de velocidade, denominada de região de escoamento livre (WANG, 1982). Assim, pode-se estabelecer uma analogia para um campo de temperaturas de um fluido próximo a uma superfície sólida, de modo que junto a ela tenha-se uma região com gradientes de temperatura, enquanto mais distante se estabelece uma distribuição uniforme de temperatura.

O fenômeno da convecção depende da densidade, viscosidade, velocidade de escoamento, condutividade térmica e calor específico. A lei que estabelece a densidade de fluxo de calor por convecção é conhecida como lei de Newton para o resfriamento, dada por:

q = h(T − T ) EQ. 2.10

onde é a densidade de fluxo de calor por convecção, T é a é a temperatura na superfície sólida, T é a temperatura do fluido e h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (coeficiente de película ou filme). O coeficiente de transferência de calor por convecção depende da geometria e material da superfície (OZISIK, 1985).

2.2.3. Radiação

A radiação é o processo pelo qual o calor flui na forma de propagação de ondas de um corpo em alta temperatura para outro em temperatura mais baixa.

Ao aproximar a mão de uma lâmpada, sente-se calor, mesmo no vácuo, em

virtude do fluxo radiante. Em um compartimento a radiação é proveniente dos gases

quentes, das chamas e das paredes aquecidas. Se a fumaça tiver grande densidade

26

de fuligem, resultante da combustão incompleta dos materiais combustíveis do compartimento a radiação provinda dos gases será predominante (SILVA, 2012).

Segundo OZISIK (1985), radiação é a energia que os corpos emitem continuamente em função de sua temperatura. Duas teorias explicam essa emissão:

segundo Maxwell, a transmissão energética se dá através de ondas eletromagnéticas e segundo Planck através de fótons discretos. A radiação se origina no interior do corpo e é emitida através de sua superfície, ou seja, caracteriza-se por um processo de massa.

O processo inverso da emissão é a absorção de radiação, que penetra até as profundezas do meio, onde é atenuada. À medida que se aproxima da superfície do corpo, a radiação pode ser atenuada ou absorvida. Os metais, por exemplo, são opacos à radiação, uma vez que a poucos angstrons da superfície ela é atenuada até ser totalmente absorvida pela superfície metálica. Já líquidos, como a água, gradualmente atenuam a radiação, sendo considerados semitransparentes, ou seja, a radiação percorre todo o fluido, perdendo parte da energia no processo. Somente o vácuo é capaz de propagar a energia na forma de radiação sem qualquer tipo de atenuação. O ar atmosférico pode ser considerado transparente à radiação para pequenas camadas, enquanto gases como dióxido de carbono, monóxido de carbono e vapor de água são capazes de atenuar a radiação térmica, pois absorvem radiação em certas faixas de comprimento de onda, sendo considerados semitransparentes (OZISIK, 1985).

A equação que estabelece a taxa de emissão de radiação por um corpo negro a uma temperatura T foi estabelecida por J. Stefan em 1879, experimentalmente, e deduzida teoricamente por L. Botzmann em 1884 (KREITH et al., 2003), resultando na Lei de Stefan- Boltzmann para corpos negros representada por:

sendo , σ e T correspondem à emissividade do corpo negro, à constante de Stefan – Boltzmann (σ) = 5,6697 x 10

e à temperatura absoluta, respectivamente.

E = σ T EQ. 2.11

27

Para um corpo real, a emissividade ε ajusta os valores à realidade, uma vez que o fluxo de radiação para corpos reais será sempre menor que o do corpo negro, como mostra a equação a seguir:

2.2.4. Mecanismos Combinados de Transferência de Calor

Nas situações reais de trocas energéticas, a transmissão de calor ocorre através de dois ou três mecanismos. O esquema da figura FIG. 2.2 mostra os mecanismos combinados, onde o ar ambiente, próximo à superfície sólida, apresenta distribuição não uniforme de temperatura, de modo que nessa região a transferência de calor ocorre devido ao gradiente de temperatura e também pelo movimento de massa fluida. Já o calor que chega por condução à parede é transferido para o ar ambiente por convecção e para as vizinhanças por radiação.

FIG. 2.2 Mecanismos combinados de transferência de calor.

E = ε σ T EQ. 2.12

28 2.3. CARACTERÍSTICAS DOS INCÊNDIOS 2.3.1. TEMPERATURA DOS GASES

Todos os materiais combustíveis queimam pela ação conjunta do oxigênio do ar e de calor, em condições propícias a se desenvolverem reações em cadeia.

Existe combustão quando existirem simultaneamente: combustível, oxigênio e fogo, em condições que possam determinar a contínua combinação do combustível de agentes oxidantes em reação exotérmica auto catalisada. Parte do calor é transferida para as paredes e estrutura pelos gases de combustão e outra parte pela irradiação das chamas e gases quentes (LANDI, 1986).

Segundo SILVA (2012), a principal característica de um incêndio, no que concerne ao estudo das estruturas, é a curva que fornece a temperatura média dos gases quentes em função do tempo de incêndio, como mostra na FIG 2.3. Em virtude da turbulência ocorrida durante o incêndio é usual adotar, em métodos simplificados de análise, uma distribuição uniforme de temperaturas no compartimento após o flashover ou instante de inflamação generalizada.

A partir dessa curva é possível calcular o campo térmico nos elementos estruturais. Essa curva apresenta um ramo inicial (fase de ignição) de baixa temperatura. Nesse período, pode haver riscos à vida humana em função de gases tóxicos ou asfixiantes exalados do material combustível em chamas. Os projetos de arquitetura e de instalações devem prever a desocupação rápida da edificação nessa fase do incêndio. Essa fase é denominada de pré-flashover.

Caso o incêndio não seja extinto nessa fase, haverá um aumento brusco da

temperatura a partir do flashover, que ocorre quando a superfície de toda a carga

combustível presente no ambiente entra em ignição. A partir desse instante, o

incêndio torna-se de grandes proporções tomando todo o compartimento e a

temperatura dos gases eleva-se rapidamente até todo o material combustível

extinguir-se. Em seguida, haverá a redução gradativa da temperatura dos gases.

29

FIG. 2.3: Curva de incêndio real (SILVA, 2012).

A favor da segurança, é usual admitir que a temperatura do ambiente em chamas atinge sempre seu valor máximo e a estrutura deve ser verificada para tal situação.

Segundo MARTINS (2010), ensaios realizados em áreas compartimentadas demonstraram que a elevação da temperatura dos gases depende da geometria do compartimento incendiado, das características térmicas dos materiais de vedação, da quantidade de material combustível, e do grau de ventilação do ambiente.

Diversas curvas de incêndio variando-se a carga combustível estão apresentadas na FIG. 2.4(a) e variando-se as áreas de ventilação estão apresentadas na FIG. 2.4(b).

2.3.2. Incêndio Padrão

A intensidade do fogo depende da natureza do material que o origina e devido

o fato da curva temperatura-tempo do incêndio ter grande variabilidade,

convencionou-se adotar uma curva padronizada para servir de modelo em análises

experimentais de estruturas ou materiais isolantes térmicos em fornos de institutos

de pesquisa.

30

(a) Variação da Temperatura dos gases com o tempo para diferentes cargas combustíveis.

(b) Variação da Temperatura dos gases com o tempo para diferentes áreas de ventilação.

FIG. 2.4 Curvas de variação da temperatura dos gases (BORCHGRAEVE et

al.,1990).

31

Atualmente existe uma série de curvas de aquecimento propostas por diversas normas, oferecendo aos projetistas a possibilidade de selecionar a curva que melhor se adapta à situação de seu projeto.

SILVA (2012) ressalta que as normas brasileiras ABNT NBR 14432 (2000) e ABNT NBR 5628 (2001) recomendam a curva com base na ISO 834 (1990) aplicável a incêndios derivados de materiais celulósicos como papel, madeira, etc.

Quando a carga de incêndio é derivada de hidrocarbonetos, como líquidos inflamáveis derivados do petróleo, o incêndio é mais severo e a curva recomendada é a do EUROCODE 1 (2002).

= 354 (8 + 1) +

(material celulósico) EQ. 2.13

onde é a temperatura dos gases no ambiente em chamas;

é a temperatura dos gases no instante t=0, geralmente admitida 20 ºC; e t é o tempo em minutos.

A FIG. 2.5 mostra as curvas de incêndio de incêndio padrão adotada pela norma brasileira ABNT NBR 14432 (2000) e pelo EUROCODE 1 (2002).

FIG. 2.5 Curvas de incêndio padrão (SILVA, 2012).

= 1.080(1 − 0,33

− 0,68

) + 20 (hidrocarbonetos) EQ. 2.14

32

2.3.3. Comportamento do Concreto Sob Elevadas Temperaturas

Vários são os parâmetros que influenciam o comportamento do concreto sob altas temperaturas, dentre eles destacam-se a composição e a permeabilidade do concreto, as dimensões e a umidade do elemento estrutural de concreto e a taxa de aumento de temperatura (METHA e MONTEIRO, 1994).

Pode ser considerada como consensual a noção de que a elevada resistência ao fogo é uma das vantagens primordiais dos elementos em concreto, quando comparados aos demais elementos estruturais, principalmente os fabricados em aço. Em muitos projetos, o concreto é indicado para utilização como proteção passiva das próprias estruturas em aço.

O concreto, em geral, apresenta boa resistência ao calor devido a sua baixa condutividade térmica. Sob altas temperaturas, o concreto é incombustível e não emite gases tóxicos, além de conservar resistência suficiente por períodos razoavelmente longo para temperaturas na ordem de 700

C a 800

C (METHA e MONTEIRO, 1994). Em comparação com o aço, o concreto apresenta menor taxa de perda de resistência com o aumento de temperatura. Em se tratando de concretos convencionais, sob uma temperatura de 800

C, a percentagem da resistência à compressão original é cerca de 25%, enquanto o aço sob mesma condição esta percentagem passa para 10%.

Convém salientar que, embora o concreto apresente uma redução de sua capacidade estrutural quando da exposição a temperaturas elevadas, o mesmo normalmente resiste à ação do calor, por um tempo considerável, sem chegar ao colapso.

As alterações de comportamento são resultantes da evaporação da água presente na matriz cimentícia, sob forma livre ou combinada, durante o processo aquecimento. Quando a estrutura de poros é aberta, o vapor liberado pode escapar facilmente, resultando em um alívio de parte das tensões geradas com o calor (KÜTZING, 2002 apud IZAIA, 2011).

No entanto, pesquisas realizadas em concretos de alta resistência, expostos a

temperaturas elevadas, demonstraram que existem substanciais diferenças de

comportamento frente ao calor quando se lida com concretos de mais alta densidade

(PHAN e CARINO, 1998; KODUR, 1997 apud IZAIA, 2011). Evidências empíricas

33

mostraram que, durante um incêndio, em um concreto com certo grau de umidade, exposto a um elevado gradiente de temperatura, pode ocorrer o desplacamento das camadas superficiais quentes das camadas interiores mais frias. Este fenômeno é comumente denominado spalling.

Segundo GUO e SHI (2011), o concreto ao ser resfriado geralmente, não recupera a resistência inicial podendo perder até 10% dessa resistência.

O valor da resistência após o resfriamento depende da temperatura atingida durante o incêndio e da velocidade de resfriamento. Quanto mais rápido o resfriamento, mais prejudicial será para a resistência do concreto.

Dimensionar a estrutura para a situação de incêndio não impede que haja deformações e fissuras exageradas. Segundo a ABNT NBR 15200 (2012), plastificações, ruínas e até colapsos locais são aceitos.

Por essas razões, a estrutura só pode ser reutilizada após um incêndio se for vistoriada, tiver sua capacidade remanescente verificada e sua recuperação for projetada e executada. Essa recuperação pressupõe que a estrutura volte a ter as características que apresentava antes do incêndio, recuperando todas as capacidades últimas e de serviço exigidas. Essa verificação pode eventualmente concluir que não existe necessidade de recuperação da estrutura se o incêndio foi de pequena severidade ou se a estrutura tinha proteção superabundante ABNT NBR 15200 (2012) apud SILVA (2012).

A cor e os danos na superfície do corpo de prova a diferentes temperaturas são apresentados na TAB. 2.1.

TAB. 2.1 Características visuais do concreto a diferentes temperaturas (LI, 1991).

T (°C) Cor Trincas Perdas na superfície

Cantos

quebrados Solto

100 Mesma da

temperatura ambiente não não não não

300 Ligeiramente branco muito poucas não ainda não não

500 Cinza - branco poucas muito poucas não levemente

700 Vermelho escuro mais poucas poucos muito

900 Vermelho

Amplas e mais ainda, sem

direção

Perde depois de impacto

Em cada canto, desnivelamento

Quebrado pelo

dedo (após o

resfriamento)

34 2.3.4. O Fenômeno do Spalling

COSTA (2002) afirmou que a ação térmica devida ao incêndio aumenta a temperatura dos elementos estruturais, causando alterações na micro e na macroestrutura do concreto; consequentemente, há redução de resistência e rigidez e o aparecimento de esforços adicionais nas estruturas hiperestáticas devido às deformações térmicas.

Esses efeitos podem levar ao colapso estrutural. As alterações físico- químicas no concreto superaquecido promovem a degeneração progressiva do material das peças estruturais e os carregamentos aplicados aceleram a desagregação, manifestada por meio de fissuras, esfarinhamentos e lascamentos, sendo esses últimos amplamente divulgados pela literatura técnica internacional como “spalling”.

Os concretos de alta resistência apresentam maior tendência ao lascamento instantâneo se comparados aos concretos usuais. A estrutura compacta de baixa porosidade dificulta o transporte de vapores formados na matriz durante o aquecimento. A pressão desses vapores aumenta excessivamente nas camadas próximas à superfície do concreto, podendo ocorrer o estilhaçamento violento da região periférica do elemento estrutural. O concreto de menor resistência permite o transporte do vapor mais facilmente, por sua maior porosidade; entretanto, se a concentração de umidade for muito elevada, este também poderá sofrer descamações profundas (ou “sloughing”) e prematuras, destacando o cobrimento das armaduras.

Algumas razões para a ocorrência do lascamento são expostas por LANDI (1996):

- O coeficiente de dilatação térmica da pasta de cimento (20 x 10

°C ) é o dobro dos agregados (10 x 10

°C ). O agregado se dilata menos, criando um processo de desagregação.

- A água livre e a água de hidratação do concreto se evaporam, criando locais com elevada pressão interna.

- A superfície externa das peças de concreto se aquece mais do que as

partes internas, criando tensões diferenciais internas. Analogamente, as arestas

ficam sujeitas a um maior gradiente de temperatura.

35

- O coeficiente de dilatação térmica do concreto sofre um aumento brusco, para temperaturas acima de 450 ºC, quando perde água, inclusive a de hidratação.

- Alta densidade: as tensões de tração que são originadas devido ao impedimento da liberação da pressão de vapor d’água com o aumento da temperatura nas peças de concreto armado com matriz muito densa, somadas às tensões térmicas e estáticas podem superar as tensões de tração resistentes do material, levando ao colapso.

- Seções transversais delgadas: com o desenvolvimento de concretos com altas resistências, as peças estruturais tendem a se tornarem mais esbeltas, de menor largura para suportar os mesmos carregamentos acarretando, com isso, maior facilidade da propagação do calor para o interior das peças, fazendo com que a massa de concreto central sofra mais rapidamente o efeito do incêndio.

Os concretos contendo agregados silicosos, como o granito apresentam pipocamentos (“pop outs”) e lascamentos acima dos 500 °C, em virtude do estilhaçamento dos agregados (LIN et al. ,1996 apud COSTA, 2002) .

SARZALEJO (2008) relatou que na ocorrência de um incêndio as chamas entram em contato direto com o concreto da estrutura, alcançando-se temperaturas muito elevadas que causam a sua rápida deterioração.

A exposição dos elementos construtivos a altas temperaturas traz como consequência a alteração das características físicas e mecânicas dos mesmos, reduzindo sua funcionalidade estrutural. No caso específico do concreto, esta degradação se produz em etapas, de acordo com o aumento da temperatura. Esta degradação pode ser vista na FIG. 2.7.

FIG. 2.7 Degradação do concreto pelo incremento temperatura (SARZALEJO 2008).

36

Como se observa na FIG. 2.8, o primeiro fenômeno observado no momento do aumento da temperatura que é o do desplacamento da face superficial do revestimento (spalling).

No momento em que a temperatura da superfície do concreto começa a aumentar, uma parcela do vapor de água que se encontra nesta região, irá se mover em direção ao núcleo do concreto, onde as temperaturas são menores. Este fenômeno traz como consequência o aumento da pressão interna da matriz, culminando na superação da própria resistência do concreto, produzindo-se o fenômeno do “spalling” ou desplacamento da face superficial.

FIG. 2.8 Descrição gráfica do fenômeno de “spalling” (SARZALEJO 2008).

O referido fenômeno ocorre por meio de uma série de fortes explosões durante os primeiros 20 minutos de incêndio.

2.3.5. Proteção Passiva do Concreto ao Fogo

O objetivo principal a ser cumprido por qualquer proteção passiva do concreto

contra o fogo é evitar perdas de vidas humanas, sendo que para tanto, as

características mecânicas dos elementos estruturais devem ser conservadas

estáveis durante o processo de evacuação do túnel e de atuação dos bombeiros.

37

As características estruturais que devem ser asseguradas pela proteção passiva são: conservação da capacidade portante, não emissão de gases inflamáveis na face exposta, não dissipação das chamas ou dos gases e isolamento térmico da face interna do elemento estrutural.

Conclui-se que, toda proteção passiva do concreto contra o fogo deverá ter um papel importante nos primeiros minutos do incêndio, porque durante este período será feita a evacuação das pessoas e a tentativa de extinção das chamas por parte dos bombeiros.

Como se pode observar na FIG. 2.8, deverá ser dada uma atenção diferenciada na proteção do concreto devido ao fenômeno do “spalling”, já que esta é a deterioração principal que o concreto sofrerá durante os primeiros minutos do incêndio (SARZALEJO 2008).

Antes de usar qualquer tipo de proteção anti-fogo, é importante que seja estudado qual será o comportamento do concreto com esta proteção.

Recentes pesquisas chegaram à conclusão que, a adição de micro-fibras de polipropileno (tipo monofilamento e diâmetros menores que 32µm) à matriz de concreto, reduz significativamente o fenômeno do “spalling” durante um incêndio, existindo uma relação diretamente proporcional entre o número de fibras incorporadas à matriz e o melhor do comportamento do concreto ante a exposição ao fogo (PEREIRA et al., 2010).

A contribuição das fibras de polipropileno para a redução do fenômeno do

“spalling” ocorre de maneira simples: no momento em que é alcançada a temperatura de 160 ºC, as fibras de polipropileno são fundidas, reduzindo o volume que ocupam, e quando são alcançados os 360 ºC, o polipropileno evapora. Com esta evaporação, onde antes existiam fibras, passam a existir canais, que vão do núcleo da matriz de concreto até a sua superfície, conforme observado na FIG. 2.9.

Estas pequenas canalizações são também usadas pelo vapor proveniente do

aquecimento da água interna do concreto, provocando assim a redução da pressão

38

que ocorreria dentro do mesmo, evitando por consequência o desplacamento das camadas superficiais.

FIG. 2.9 Rota de escape dos gases dentro da matriz de concreto (Modificado de SARZALEJO 2008).

Existem opiniões diferentes a respeito da quantidade de fibras que devem ser incorporadas na matriz para oferecer de uma proteção eficaz. O que é evidente, é que, quanto maior o número destas, melhores serão os resultados obtidos.

Atualmente as recomendações para a dosagem mínima das fibras indicam uma porcentagem em volume > 0,2 % (que equivale a 1,82kg/m

), dependendo evidentemente das características do concreto, já que o uso de concretos de alta resistência implicaria uma maior necessidade de proteção e, portanto, maiores dosagens (SARZALEJO, 2008).

As microfibras de polipropileno também podem ter o seu uso indicado para concretos e argamassas em relação ao controle sobre os fenômenos de exsudação e segregação. As microfibras de polipropileno também melhoram o desempenho do concreto endurecido, aumentando sua resistência no que se refere ao: desgaste, impacto e fogo (NCT, 2013).

2.3.6. Variação dos Parâmetros de Resistência com a Elevação da Temperatura A resistência à compressão do concreto decresce com o aumento da temperatura, conforme mostrado na FIG. 2.10, podendo ser obtida pela EQ. 2.15.

,

=

EQ. 2.15

39

onde: é a resistência característica à compressão do concreto em situação normal; e

é o fator de redução da resistência do concreto na temperatura , conforme Tabela 4.1.

FIG. 2.10 Fator de redução da resistência dos concretos silicoso e calcário em função da temperatura (SILVA, 2012).

Para concretos preparados predominantemente com agregados silicosos, que têm pior comportamento ao fogo, a TAB. 2.1 fornece a relação entre a resistência à compressão do concreto submetido a diferentes temperaturas (

) e a resistência característica à compressão do concreto em situação normal ( ). Para valores intermediários de temperatura pode ser feita interpolação linear.

TAB. 2.1 Valores das relações

=

/ para concretos de massa específica normal (2.000 a 2800 kg/m³) preparados com agregados predominantemente silicosos (continua).

Temperatura do concreto (°C)

=

/

20 1,00

100 1,00

200 0,95

300 0,85

400 0,75

500 0,60

600 0,45

40

TAB. 2.1 Valores das relações

=

/ para concretos de massa específica normal (2.000 a 2800 kg/m³) preparados com agregados predominantemente silicosos (continuação).

700 0,30

800 0,15

900 0,08

1.000 0,04

1.100 0,01

1.200 0,00

A variação da resistência do concreto com a temperatura, segundo a norma EN- Eurocode 4 (1994) é mostrada na FIG. 2.11.

FIG. 2.11 Redução da resistência do concreto com a temperatura (EUROCODE 4, 1994), apud Thomaz (2008).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

fc ( T o C ) / f c (2 0

C ) ( % )

T=temperatura do concreto

C 600 a

700

C:decomposição

800

C: ruptura da estrutura

573 ^oC: transformação da estrutura do quartzo

65 a 80

C: perda de água absorvida

120 a 130^oC : perda de água da estrutura do C-S-H 140 ^oC: decomposição da etringita

180 a 220 ^oC : decomposição do gesso

200 a 300 ^oC : Decomposição de

hidratos amorfos C2AH8, C4AH3 CAH19, C3AH6

440 a 580

C : decomposição da Portlandita =

Ca(OH)

900 ^oC: decomposição química do C-S-H

C-S-H =(CaO)

. (SiO

) . (H

O) ₄

41

A resistência à tração do concreto é geralmente desprezada tanto na temperatura ambiente quanto na temperatura elevada. No entanto, nos casos em que ela pode ser considerada, admite-se que não haja redução de resistência à tração até 100 °C e, além dessa temperatura pode ser obtida da seguinte maneira:

onde, =

/ , sendo

e os valores da resistência à tração do concreto à temperatura elevada e à temperatura ambiente, respectivamente.

GUO e SHI (2011) propuseram que a resistência à compressão residual do corpo de prova cilíndrico de concreto após o seu resfriamento, chamada como f

, pode ser determinada usando uma fórmula empírica como se segue, tendo a resistência à compressão à temperatura ambiente (EQ. 2.16).

b c

T c

T a f

f

) 20 ( 1

1



  _{EQ. 2.17}

Os valores dos coeficientes “a” e “b” variam de acordo com os experimentos realizados pelas referências na TAB. 2.2.

TAB. 2.2 Valores de "a" e "b".

Referência a b

LI (1991) 2,400 × 10

6,0 JIANG (1992) 3,300 × 10

5,5 SHi (1992) 1,183 × 10

7,1 ZHANG (1997) 1,700 × 10

6,0 LI (1994) 8,240 × 10

5,0

= 1 - ( - 100) /500, para θ < 600 °C EQ. 2.16

42 2.4. Parâmetros Térmicos do Concreto

A distribuição de temperatura e sua variação no interior da estrutura de concreto e de seus membros a temperaturas elevadas (por exemplo, sob incêndio) dependem apenas do comportamento térmico dos materiais estruturais, além das condições de temperatura que envolve a estrutura. A distribuição temperatura não está relacionada com o estado de tensão (deformação) e o comportamento mecânico dos materiais.

O comportamento térmico relevante do material é descrito por meio de três termos. Correspondentemente, há três parâmetros fundamentais: coeficiente de condutividade térmica ( ), calor específico ( ) e peso específico ( ). Outros parâmetros térmicos, como a difusividade térmica, podem ser obtidos a partir destes parâmetros.

Outro parâmetro básico térmico do material é o coeficiente de expansão, o que influencia apenas a deformação térmica e tensão do material e estrutura, mas está relacionada com a análise do campo de temperatura.

O concreto é um compósito não encontrado na natureza, é composto por cimento, água e finos (areia) e agregado graúdo (brita), e é, por vezes, misturado com alguns materiais adicionais. Eles são seguintes proporções pré-determinadas e em seguida, misturadas e submetidas à usinagem, adensamento, e a cura. O concreto é formado, na fase fresca e endurecida, por um processo devido a ação adesiva de cimento.

As diversas matérias-primas em concreto têm muitas e diferentes

composições químicas de minerais e texturas, e seus parâmetros térmicos originais

são diferentes. Os valores dos parâmetros térmicos do concreto formado são

diferentes e os dados experimentais variam devido às diferenças na proporção de

mistura, o teor de água, a idade e a técnica de produção. Os resultados

experimentais e dados listados abaixo, dão valores gerais para os parâmetros

térmicos do concreto, (GUO e SHI, 2011).