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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
© Todos os direitos estão reservados a Universidade Federal Rural do Semi-Árido. O conteúdo desta obra é de inteiraresponsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leisque regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei n° 9.279/1996 e Direitos Autorais: Lei n°9.610/1998. O conteúdo desta obra tomar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectivaata. 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 Institutode Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecasda Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informaçãoe Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos deGraduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.
A658a Araújo, Emerson Martins de. Análise do comportamento termomecânico doconcreto submetido a altas temperaturas por meiode simulações numéricas / Emerson Martins deAraújo. - 2019. 85 f. : il.
Orientador: Wendell Rossine Medeiros de Souza. Monografia (graduação) - Universidade FederalRural do Semi-árido, Curso de Engenharia Civil,2019.
1. Concreto em altas temperaturas. 2.Comportamento termomecânico. 3. Método doselementos 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 American Society for Testing and Materials
CaCO3 Carbonato de Cálcio
CaO Óxido de Cálcio
C-A-S-H Silicoaluminato de Cálcio Hidratado
CH Hidróxido de Cálcio, Portlandita
cm Centímetros
CO2 Dióxido de Carbono
C-S-H Silicato de Cálcio Hidratado
𝐸𝑐,20 ֯𝐶 Módulo de elasticidade do concreto em temperatura ambiente
𝐸𝑐,𝜃 Módulo de elasticidade do concreto em temperatura elevada
EN Euronormme (European Standard)
Eq. Equação
Fe Ferro
Curva “H” hydrocarbon curve
GPa Gigapascal
H Hidrogênio
ISO International Organization for Standardization
J Joule
K Kelvin
𝑘 Condutividade térmica do material
𝑘𝑐𝐸,𝜃 Redução do módulo de elasticidade em função da temperatura
Kg Quilograma
Ks,θ Redução da resistência do aço em função da temperatura
KsE,θ Redução do módulo de elasticidade do aço
Ksp,θ 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 Thermo-mechanical coupling
TRF Tempo de Resistência ao Fogo
TRRF Tempo Requerido de Resistência ao Fogo
UFERSA Universidade Federal Rural do Semi-Árido
W Watts
𝜃𝑔 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
16
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
al., 2008).
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
17
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.
18
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.
19
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).
20
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.
21
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.
22
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).
23
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
24
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).
25
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
26
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
27
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
28
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).
29
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
30
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.
31
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).
32
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.
33
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 10-5/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
34
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
35
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
36
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
37
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
38
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
39
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).
40
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
41
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.
σ𝑥𝑥 τ𝑥𝑦 τ𝑥𝑧
τ𝑦𝑥 σ𝑦𝑦 τ𝑦𝑧
τ𝑧𝑥 τ𝑧𝑦 σ𝑧𝑧
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.
42
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 (Ks,θ), o limite de elasticidade (Ksp,θ) e o
módulo de elasticidade (KsE,θ) 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
43
concreto. Um resfriamento dentro da câmara de combustão apresentaria perdas
menores de que ao ar livre, uma vez que a taxa de resfriamento seria ainda menor
(LORENZON, 2014).
Geralmente, o resfriamento brusco causa maiores perdas na resistência ao
cisalhamento e à flexão do concreto, com relação ao resfriamento lento. Porém, acima
de 600ºC essa diferença torna-se insignificante, como pode ser visto na Figura 18
(LIMA, 2005; SILVA, 2013).
Figura 18: Média de resistência a compressão por tipo de resfriamento
Fonte: Zabeu (2011).
No que diz respeito ao módulo de elasticidade, o modo de resfriamento provoca
um efeito inverso ao da resistência. De acordo com Zabeu (2011, p. 66), o
resfriamento brusco produz valores maiores de módulo de elasticidade do que o
resfriamento lento, e isso é explicado pela umidade provocada pelo resfriamento, “que
produz o preenchimento dos poros e a consequente distribuição de tensões que não
tem influência no ensaio de resistência à compressão, em função da velocidade de
ensaio em que este é realizado”.
2.9. CONSIDERAÇÕES SOBRE A VERMICULITA
Ao longo dos anos muitas pesquisas são desenvolvidas com o objetivo
melhorar as propriedades de vários materiais utilizados na construção civil, entre
essas propriedades estão as termoacústicas, diretamente ligadas ao conforto do
44
usuário. Um dos compostos utilizados para melhoramento destas propriedades é a
vermiculita, um composto mineral leve.
Conforme Lima e Bronzato (2017) o descobrimento da vermiculita em 1824 na
cidade de Millbury, Worcester County, Massachusetts, Estados Unidos, abriu novas
portas para a construção civil, sendo utilizada no ramo da engenharia desde o
isolamento térmico e acústico, tijolos, barreira contrafogo a agregados para concretos
e argamassas leves.
A vermiculita é um silicato hidratado de magnésio, alumínio e ferro com uma
estrutura micáceo-lamelar e clivagem basal, isto é, considerado um mineral hidratado,
a vermiculita é gerada a partir da alteração de micas, geralmente a biotita. Sua fórmula
química apresenta-se como (Mg, Fe)3 [(Si, Al)4 O10] [OH]2 4H2O. Alguns minerais
comumente associados à vermiculita são: biotita, hidrobiotita, apatita, anfibólio,
flogopita, diopsídio clorita, amianto, talco e minerais argilosos. Tem sua gênese por
intemperismo, em baixa temperatura (acima de 350°C a vermiculita é instável) de
piroxenitos, peridotitos, dunitos, carbonatitos e anfibolitos (PAULA, 2014).
A NBR 11355 (ABNT, 2015) define a vermiculita como um agregado mineral
incombustível que possui estrutura lamelar triforme e que, quando exposto a um
choque térmico, apresenta uma expansão ortogonal, passando a ter um aspecto
semelhante ao de uma sanfona aberta. É importante ressaltar que o termo vermiculita
também é utilizado para designar comercialmente alguns minerais micáceos
constituídos por cerca de dezenove variedades de silicatos hidratados de magnésio e
alumínio, com ferro e outros elementos (UGARTE; SAMPAIO; FRANÇA, 2008).
É sabido que a vermiculita (Figura 19) em seu estado lamelar não é muito
utilizada, no entanto, quando expandida possui propriedades significativas para a
aplicação na construção civil, por exemplo. O processo de expansão da vermiculita
ocorre entre 800ºC e 1100ºC e compreende a remoção da água estrutural associada
ao mineral, em um curto intervalo de tempo, por meio de fornos especiais e com o
melhor rendimento (FRANÇA; LUZ, 2002; UGARTE, SAMPAIO; FRANÇA, 2008). O
processo de expansão da vermiculita pode aumentar seu volume de 10 até 30 vezes
(SZNELWAR; SCALABRIN, 2009).
45
Figura 19: Vermiculita em seu estado normal/ Vermiculita Expandida
Fonte: Barros (2018).
2.9.1. Propriedades e Aplicações
As propriedades que a vermiculita adquire quando expandida lhe dão um vasto
campo de aplicação que se estendem para a construção civil, agricultura, indústrias
químicas, equipamentos, materiais especiais etc. Com o processo de expansão, o
resultado é um produto de baixa densidade, baixa condutividade acústica, térmica e
elétrica. Além disso, o material expandido é inodoro, não se decompõe ou deteriora,
não é tóxico, lubrificante e com alto absorvência, podendo absorver cerca cinco vezes
seu peso em água (PAULA, 2014).
No que diz respeito a dureza, os valores variam de 2,1 a 2,8 na escala Mohs.
Outras propriedades físicas da vermiculita são citadas e quantificadas por Silva et al.
(2015), tais como: condutividade térmica máxima de 0,070W/m.K, ponto de fusão em
1315°C, temperatura de amolecimento 1300°C, umidade máxima de 7%, massa
específica aparente que varia entre 80 kg/m³ a 100 kg/m³, sem abrasividade.
Um fator que condiciona a aplicação da vermiculita para cada uso especifico é
sua granulometria e pureza. Em tal caso, é conhecido que as de granulometria mais
finas são utilizadas para a produção de manufaturados para a construção civil e como
carreadoras na produção de fertilizantes e de alimentação para animais, enquanto que
aquelas de granulometria mais grossa, são utilizadas para fins de horticultura, cultivo
e germinação de sementes, etc. (UGARTE; SAMPAIO; FRANÇA, 2008).
Devido suas excelentes características, no ramo da construção civil a
vermiculita se destaca na produção de revestimento com argamassas que funcionam
como isolante térmico e acústico. Além disso pode-se citar a produção de tijolos
46
refratários, blocos e placas resistentes a altas temperaturas, na proteção de estruturas
de aço a temperaturas elevadas, base de impermeabilização, junta de dilatação, porta
corta fogo, etc. (UGARTE, SAMPAIO E FRANÇA, 2008).
A mineração da vermiculita é a céu aberto, semi ou totalmente mecanizada.
Estimasse que em 2013 o consumo mundial de vermiculita foi de 435 mil toneladas,
fornecidas em grande escala pela África do Sul (130 mil toneladas) seguida dos
Estados Unidos (100 mil toneladas), no mesmo ano o Brasil ocupou o terceiro lugar
na produção mundial com 68 mil toneladas mineradas, sendo os Estados de Goiás
(85,5%), Pernambuco (4,2%), Paraíba (7,8%) e Bahia (2,5%) responsáveis por esta
produção (PAULA, 2014).
2.9.2. Vermiculita como agregado leve
Considera-se agregados leves aqueles que possuem massa especifica inferior
a 2001 kg/m³ e massa unitária menor que 1120 kg/m³, isto devido a sua microestrutura
celular e porosa (SIQUEIRA, 2008). Estes agregados são geralmente expandidos
(fabricados por tratamento térmico) e possuem grande capacidade de isolamento
termo acústica. Alguns exemplos de agregados leves são os agregados expandidos
de argila, escória siderúrgica, ardósia, resíduos de esgoto sinterizado, vermiculita,
escória de alto forno, cinza volante, entre outros.
Portando, a vermiculita é considerado um agregado leve uma vez que, após o
processo de expansão, sofre uma redução em sua massa especifica aparente de 640-
960 kg/m³ para 56-192 kg/m³ (UGARTE; SAMPAIO; FRANÇA, 2008). A vermiculita
expandida é considerada um agregado leve inorgânico, em virtude de ser produzida
a partir de fontes naturais e artificiais (BARROS, 2018).
A classificação granulométrica da vermiculita expandida, conforme o padrão
brasileiro, se divide em média, fina, superfina e micrometro. Quando utilizada para
fabricação de argamassas, por exemplo, a indústria define proporções em volume,
utilizando o agregado nas granulometrias média, fina e superfina (UGARTE;
SAMPAIO; FRANÇA, 2008).
2.9.3. Argamassa com adição de vermiculita
Nos últimos anos surgiram diversas pesquisas voltadas à utilização de
agregados leves na confecção de argamassas e concretos, visto que estes podem
contribuir para elevar o isolamento térmico, garantindo conforto térmico e acústico,
47
além de reduzir a densidade dos materiais, e consequentemente o peso das cargas
na estrutura (BARROS, 2018).
Um desses agregados é a vermiculita, que foi abordada na pesquisa de Barros
(2018), possuindo boas propriedades, incluindo uma baixa condutividade térmica,
elevada absorção sonora e elevada resistência ao fogo. Essas propriedades, segundo
Koksal, Gencel e Kaya (2015), são explicadas pela expansão que a vermiculita sofre
quando submetida à elevadas temperaturas, formando partículas de placas finas de
alta porosidade e vazios preenchidos por ar. A pesquisa de Barros (2018) se refere à
substituição do agregado miúdo (areia) pela vermiculita expandida, nas proporções
de 25%, 50%, 75% e 100%.
Com relação a caracterização dessa argamassa nos estados fresco e
endurecidos, as principais considerações feitas por Barros (2018) são: o traço com
25% de substituição não influencia muito na consistência da mistura, diferente dos
outros traços; a vermiculita reduz 37% da densidade da argamassa; a redução da
resistência à tração e compressão é mínima para o traço de 25% de substituição.
Já no que diz respeito à análise térmica da argamassa, as principais
considerações de Barros (2018) são: a vermiculita reduziu a condutividade térmica da
argamassa em até 82%; a capacidade calorífica volumétrica foi reduzida até 49,2%
da referência; a velocidade de propagação do calor (difusividade térmica) também foi
reduzida.
Diante de todas essas considerações, Barros (2018) concluiu que a argamassa
com substituição de 25% da areia natural por vermiculita expandida é aquela que
apresenta as melhores propriedades termomecânicas, e por isso, este será o traço
adotado no nosso trabalho.
2.10. SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DO
CONCRETO SUBMETIDO A ALTAS TEMPERATURAS
A simulação numérica de um elemento de concreto submetido a cargas de
temperatura tem como objetivo analisar os efeitos causados por este carregamento
no concreto, através da distribuição de tensões e de temperatura para o interior do
elemento.
O método dos elementos finitos (MEF) é bastante eficaz na análise, pois
permite simplificar a análise de problemas complexos através da subdivisão da
superfície a ser estudada em partes menores conhecidas como elementos finitos, que
48
são conectados entre si por pontos ou nós, dando origem à uma malha. Quanto maior
for o número de subdivisões, maior será também o número de análises pontuais do
problema, e isso contribui para que o método dos elementos finitos seja bastante
preciso.
O método é dividido em três etapas: pré-processamento, processamento e pós-
processamento. Durante a etapa de pré-processamento ocorre a construção do
modelo, sendo possível incluir todas as condições necessárias, como a definição das
propriedades do material, sua geometria, o carregamento aplicado, as condições de
contorno, entre outras. Na etapa de processamento o software soluciona todas as
equações matemáticas envolvidas no problema em cada um dos nós, e entrega os
resultados para que sejam analisados na etapa de pós-processamento.
As análises podem ser divididas para elementos construídos em duas ou três
dimensões e também em lineares e não-lineares. A análise linear respeita o limite de
proporcionalidade dos materiais, e a análise não-linear possibilita a análise da fase
elástica do material, incluindo o escoamento, fissuração e até o colapso total (SOUZA,
2017).
49
3. METODOLOGIA DA SIMULAÇÃO
Neste capítulo serão descritos os procedimentos e estratégias que foram
adotados durante o presente trabalho, com o intuito de alcançar os objetivos propostos
para o mesmo.
3.1. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
A metodologia consistiu principalmente em uma modelagem computacional
através do método dos elementos finitos com auxílio do software ADINA versão 9.3.2,
capaz de simular numericamente as situações desejadas e tornando assim possível
a análise do comportamento termomecânico do concreto. A escolha deste tipo de
método se deu devido à sua eficiência e capacidade de simplificação do problema,
bem como pela precisão nos seus resultados.
A análise foi realizada através do módulo ADINA Structures com auxílio do
recurso complementar TMC – thermo-mechanical coupling. O modo transiente de
análise térmica permite examinar a distribuição da temperatura e das tensões para o
interior do concreto a cada novo incremento de tempo.
3.2. DESCRIÇÃO DOS MODELOS
Durante o trabalho foram construídos no total 4 modelos que simulam uma
carga de temperatura crescente em corpos-de-prova de concreto. Esse número foi
resultado de uma combinação de dois fatores, a temperatura e a espessura do
revestimento.
A temperatura máxima adotada para as simulações foi de 800ºC, mas as
análises de resultados serão feitas também nas temperaturas de 300ºC e 500ºC. De
acordo com Cánovaz (1988), a perda de resistência à compressão do concreto sob
altas temperaturas só começa a ser significativa a partir dos 300ºC. Entre 300ºC e
600ºC, o seu valor diminui para valores de aproximadamente 50% do inicial, enquanto
que para valores entre 600ºC até 950°C, essa resistência é muito baixa.
Além de analisar o comportamento termomecânico do concreto em situações
de elevadas temperaturas, este trabalho também tem como objetivo verificar a
influência que uma camada de revestimento argamassado tem sobre este
comportamento. A argamassa escolhida para revestir os corpos-de-prova de concreto
possui uma substituição parcial de 25% da massa do agregado por vermiculita, pois
50
de acordo com os ensaios realizados no trabalho de Barros (2018), este traço
apresentou melhor comportamento termomecânico.
Por fim, também será analisada a influência da argamassa de revestimento em
atrasar o avanço da temperatura para a armadura do concreto, cuja posição foi
definida através da NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimento
(2003) que recomenda a espessura do cobrimento de concreto para a armadura. Para
este trabalho, foi adotado um cobrimento de 2,5 cm para a armadura.
Para analisar a influência do revestimento de argamassa no comportamento do
concreto foram adotadas as espessuras de 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm, além da situação
em que o concreto não é revestido (0,0 cm). A Tabela 5 a seguir mostra os 4 modelos
que foram construídos e suas particularidades.
Tabela 5: Lista de Modelos Criados
Modelo Carga de Temperatura (ºC) Espessura do Revestimento (cm)
M1 800 0,0
M2 800 1,5
M3 800 3,0
M4 800 4,5
Fonte: Autor (2019).
Os tópicos a seguir irão descrever como se desenvolveu a construção desses
modelos, cujos resultados serão discutidos no capítulo seguinte.
3.3. MODELO BÁSICO SEM REVESTIMENTO
O primeiro modelo numérico em elementos finitos construído para esse
trabalho (M1) serviu como base para todos os outros, e simula perfeitamente as
dimensões geométricas de um corpo-de-prova cilíndrico de concreto com diâmetro de
10 cm e altura de 20 cm, sendo que a temperatura ambiente considerada para a
análise foi de 30ºC.
O corpo-de-prova foi simulado utilizando um modelo de sólido em duas
dimensões axissimétrico que representa um elemento ou radiano da estrutura,
conforme a Figura 20. A adoção desse tipo de modelo se tornou conveniente devido
à característica de axissimetria que todos os elementos que compõem a estrutura
51
possuem em relação ao centro do corpo-de-prova. Isso quer dizer que propriedades
como a geometria, as condições de contorno e o carregamento aplicado são iguais
para qualquer elemento no interior do corpo-de-prova.
Figura 20: Elemento ou radiano axissimétrico
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
3.3.1. Geometria do modelo
O modelo base apresenta geometria retangular em duas dimensões e possui 5
cm de largura por 20 cm de altura. Os eixos originais (0,0) estão localizados no centro
inferior do corpo-de-prova, conforme ilustrado na Figura anterior. A partir da origem
foram definidos os pontos, que se localizam nas extremidades da superfície e têm as
suas coordenadas representadas na Figura 21.
Figura 21: Coordenadas dos pontos do modelo base
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
52
As linhas foram definidas de forma a unir os pontos fazendo o contorno da
superfície, sendo que o carregamento, que será detalhado a seguir, foi aplicado sobre
essas linhas. A Figura 22 mostra um exemplo da tela através da qual as linhas são
definidas e mostra a linha 1 que une os pontos 1 e 2.
Figura 22: Definição das linhas do modelo base
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
Por fim é definida a superfície sólida propriamente dita que, conforme mostra a
tela na Figura 23, engloba os quatro pontos nas extremidades.
Figura 23: Definição da superfície do modelo base
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
3.3.2. Carregamento
A carga de temperatura foi aplicada no modelo através de uma função tempo
capaz de representar a curva de aquecimento adotada (Figura 24). Essa curva possui
característica de uma reta crescente (rampa) cuja inclinação é dada pela taxa de
aquecimento, definida em 27,4ºC/min, referente à taxa média de crescimento na
53
temperatura de uma curva de incêndio padrão da ISO 834 e que foi utilizada em vários
trabalhos anteriores, como Anderberg (2003) e Lima (2005).
Figura 24: Curva de aquecimento
Fonte: Autor (2019).
Nota-se que o tempo necessário para a temperatura alcançar
aproximadamente o valor desejado (800ºC) foi de 28 minutos. Como dito
anteriormente, os resultados serão analisados também para as temperaturas de
300ºC e 500ºC, que foram alcançadas nos tempos de 10 minutos e 17 minutos,
respectivamente.
Esse carregamento foi aplicado nas linhas 1, 2 e 3 que representam as duas
bases do corpo-de-prova e a sua superfície extrema, sendo excluída a linha 4, que
representa a região central da estrutura.
A Figura 25 mostra a aplicação do carregamento no software, que foi utilizado
na simulação do modelo M1, com carga de 800ºC. Pode-se observar que no tempo 0
a temperatura é 30ºC que foi adotada para o ambiente; enquanto no tempo 1680
segundos (equivalente a 28 minutos) a temperatura é 800ºC, representando o fim da
rampa de aquecimento ilustrada anteriormente.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Tem
pera
tura
(ºC
)
Tempo (minutos)
54
Figura 25: Função tempo que define o carregamento
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
No software ainda é possível controlar o número de etapas da simulação, sendo
definido que cada etapa equivale a 1 minuto. Assim, é possível visualizar o
comportamento do corpo-de-prova submetido à carga de temperatura em cada minuto
desde o início da rampa até o seu final.
3.3.3. Materiais
Após a definição do carregamento partiu-se para a definição das propriedades
do material envolvido na simulação, ou seja, do concreto. As propriedades são as
seguintes:
Módulo de Elasticidade (Young): 25 x 109 Pa;
Coeficiente de Poisson: 0,3;
Densidade: 2500 kg/m³;
Coeficiente de dilatação térmica: 10 x 10-5/ºC;
Condutividade térmica: 1,3 W/m.ºC;
Capacidade térmica: 750 J/kg.ºC.
3.3.4. Definição das malhas
Por meio desta etapa é possível definir o número de sub-elementos no interior
da superfície em que é possível extrair as informações após a simulação. No trabalho
foi adotada uma subdivisão da superfície a cada 2,5 mm de cada dimensão,
55
resultando em uma malha que já foi representada na Figura 20 anteriormente. Assim,
é possível obter os valores da temperatura e das tensões em cada um dos sub-
elementos da superfície, que são retangulares e possuem 2,5 mm de lado.
3.3.5. Simulação
Após a construção do modelo a simulação é executada, sendo possível obter
os gráficos de cores que mostram a distribuição de tensão e temperatura para o
interior do corpo de prova. Como dito anteriormente, o modo transiente permite a
análise individual a cada incremento de tempo ou etapa, isto é, a cada 1 minuto.
Em seguida houve a criação de uma linha modelo na direção horizontal, na
altura média (10 cm) do corpo-de-prova. Como a malha é dividida a cada 2,5 mm foi
possível obter resultados de 20 elementos no espaço dessa linha, o que garantiu uma
aproximação mais exata nos resultados. A tela representada na Figura 26 mostra a
definição da linha modelo.
Figura 26: Definição da linha modelo
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
Após a elaboração da linha modelo foi possível construir uma matriz da ordem
20 x 6 para cada intervalo de tempo de 1 minuto, onde as 6 colunas representam as
variáveis em questão, que são: a posição (profundidade); a temperatura; as três
tensões normais (x-x, y-y e z-z) e a tensão de cisalhamento; enquanto as 20 linhas
representam os 20 sub-elementos da linha modelo.
56
Com essa matriz se tornou possível obter os valores numéricos da temperatura
e das tensões para cada um dos 20 elementos da linha modelo. A matriz foi importada
em formato de texto pelo Excel, onde foi possível construir os gráficos que relacionam
a posição dos nós com as outras variáveis. O primeiro nó representa o centro do
corpo-de-prova enquanto o último representa a extremidade lateral do mesmo, sendo
finalmente possível analisar a distribuição da temperatura e das tensões para o interior
do corpo de prova. A Figura 27 mostra a adição das variáveis e parte da matriz.
Figura 27: Matriz de resultados
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
3.4. MODELOS COM ADIÇÃO DA CAMADA DE REVESTIMENTO
A construção dos modelos que possuem a camada de revestimento de
argamassa seguiu a mesma metodologia de axissimetria já descrita para o modelo
base anterior, com o acréscimo de uma nova superfície constituída pela argamassa
citada. Para melhor amplitude de resultados, essa região de revestimento foi definida
em três possibilidades, uma com espessura de 1,5 cm, uma com 3,0 cm e a outra com
4,5 cm. O modelo de corpo-de-prova de concreto com espessura de cobrimento de
1,5 cm pode ser visto na Figura 28.
57
Figura 28: Elemento com acréscimo da camada de revestimento, em vermelho
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
3.4.1. Geometria, Carregamento e Materiais do modelo
A geometria do modelo revestido foi construída pela mesma metodologia
mostrada anteriormente, seguindo a ordem: definição dos pontos, definição das linhas
e definição da superfície. Como o concreto e a argamassa possuem propriedades
térmicas e mecânicas distintas entre si, foram definidas superfícies distintas para cada
um dos materiais. Com relação ao carregamento, a sua aplicação também ocorreu de
forma idêntica ao modelo base.
As propriedades do concreto foram mostradas na seção anterior, enquanto que
a argamassa teve as suas propriedades extraídas do trabalho de Barros (2018), sendo
elas:
Módulo de Elasticidade (Young): 9,24 x 109 Pa;
Coeficiente de Poisson: 0,2;
Densidade: 1757 kg/m³;
Coeficiente de dilatação térmica: 1,4 x 10-5/ºC;
Condutividade térmica: 1,1 W/m.ºC;
Capacidade térmica: 1240 J/kg.ºC.
58
3.4.2. Definição das malhas e simulação
Como existiam duas superfícies, houve a necessidade de definir duas malhas
independentes, que assim como no modelo anterior, possuíam densidade de 2,5 mm.
As análises da simulação foram feitas apenas para os pontos contidos na região de
concreto, sendo excluídos os elementos de argamassa, visto que o objetivo do
trabalho é analisar o comportamento termomecânico do concreto.
3.5. ANÁLISE TÉRMICA NA ARMADURA DO CONCRETO
O presente trabalho também tem como objetivo analisar as temperaturas as
quais a armadura do concreto está submetida em cada um dos quatro modelos,
possibilitando verificar a influência da camada de revestimento argamassado na
redução da temperatura atingida nesse local.
A metodologia utilizada para alcançar tal objetivo é semelhante às anteriores e
consiste na definição de uma linha modelo, dessa vez na vertical, na posição em que
se localiza a armadura (2,5 cm da extremidade). Obedecendo a densidade dos
elementos como sendo 2,5 mm, foi possível obter informações de temperatura em um
total de 80 elementos para cada minuto de aquecimento, em cada um dos quatro
modelos de revestimento.
Em seguida foi feita a média das 80 temperaturas para cada um dos tempos e
também para cada uma das espessuras de revestimento, possibilitando a construção
de um gráfico em três dimensões que mostra a influência do tempo e do cobrimento
na temperatura alcançada na armadura do concreto. O capítulo seguinte se trata da
análise e discussão dos resultados do trabalho e irá abordar mais profundamente as
informações obtidas através das simulações.
59
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo serão apresentados e discutidos os resultados obtidos através
das diversas simulações realizadas ao longo do trabalho. Para o modelo básico
(concreto sem revestimento) serão mostrados os resultados referentes à distribuição
de temperatura e de tensões ao longo do interior do corpo de prova, e em seguida
estes serão comparados com os resultados de outros três modelos contendo as
diferentes espessuras de revestimento. Além disso serão apresentadas as
temperaturas e o tempo necessário para que sejam alcançadas na posição da
armadura do concreto, tanto para o modelo básico quanto para os modelos com
revestimento, possibilitando analisar e discutir a influência da espessura da
argamassa em retardar o avanço da temperatura para a armadura.
É importante salientar que os gráficos apresentados neste capítulo mostram as
temperaturas ou tensões atuantes nos pontos pertencentes à linha modelo horizontal
que foi descrita na metodologia. Essa linha se localiza na altura média do corpo de
prova (10 cm) e possui 5 cm de largura representando o raio do modelo. A origem dos
gráficos representa o centro do corpo de prova e a extremidade direita representa a
sua parede externa, que está mais próxima à fonte de calor.
4.1. ANÁLISE DO MODELO BÁSICO SEM REVESTIMENTO
Conforme já foi dito anteriormente, a temperatura ambiente considerada foi de
30ºC e a taxa de aquecimento foi de 27,4ºC/min. Assim, o tempo necessário para se
atingir a temperatura máxima desejada nessa simulação (800ºC) foi de
aproximadamente 28 minutos. As análises de temperatura e de tensões serão feitas
nos tempos de 10 minutos, 17 minutos e 28 minutos, necessários para as
temperaturas alcançarem aproximadamente os 300ºC, 500ºC e 800ºC,
respectivamente. Além disso, serão incluídos os resultados em intervalos de tempo
intermediários a esses valores (1 minuto, 5 minutos, 14 minutos e 23 minutos).
O perfil térmico para o modelo básico sem revestimento pode ser observado na
Figura 29. Nota-se que as curvas térmicas apresentam configurações semelhantes ao
longo do tempo, atingindo suas temperaturas máximas nas regiões próximas a fonte
de calor (paredes externas do corpo de prova) e decrescente conforme se distanciam
dessas regiões para o interior do corpo de prova, alcançando valor mínimo no seu
centro.
60
Figura 29: Perfil térmico do modelo sem revestimento ao longo do tempo
Fonte: Autor (2019).
A distribuição de temperatura ao longo do corpo de prova pode ser vista através
do gráfico de cores representado na Figura 30, que mostra os instantes de 10 minutos,
17 minutos e 28 minutos, onde a temperatura atinge aproximadamente 300ºC, 500ºC
e 800ºC, respectivamente.
Figura 30: Distribuição de temperatura nos modelos sem revestimento aos 10 minutos, 17 minutos e 28 minutos
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
61
Como a temperatura na extremidade é diferente da temperatura no centro do
corpo de prova, surgem gradientes de temperatura que provocam o aparecimento das
tensões térmicas. A Figura 31 mostra a distribuição da tensão tangencial que atua na
direção x-x do modelo, sendo possível observar que essa tensão apresenta valores
de compressão nas regiões mais próximas à fonte de calor e valores de tração no
interior, onde a temperatura é inferior.
No momento em que a temperatura alcança os 300ºC aos 10 minutos de
aquecimento, a tensão máxima de compressão é de 7,96 MPa na parede externa do
corpo de prova, enquanto a tensão máxima de tração é de 21,3 MPa. Aos 17 minutos
o modelo alcança a temperatura de 500ºC, quando a tensão de compressão chega
aos 13,5 MPa e a tensão de tração aos 36,3 MPa. Por fim, aos 28 minutos a
temperatura é de 800ºC, levando ao aparecimento de tensões na ordem de 22,3 MPa
de compressão e 59,8 MPa de tração.
Figura 31: Tensão tangencial no modelo sem revestimento ao longo do tempo
Fonte: Autor (2019).
As tensões que atuam na direção y-y do raio do modelo são conhecidas como
tensões radiais e são expressas na Figura 32, onde é possível perceber que para
todos os intervalos de tempo a tensão radial é unicamente de tração e apresenta
configuração crescente, partindo da extremidade do corpo de prova para o interior do
corpo de prova, onde apresenta valor máximo no seu centro. Aos 10 minutos de
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão T
angencia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
62
exposição a temperatura chega aos 300ºC e a tensão radial máxima alcança o valor
de 29,2 MPa de tração no centro do corpo de prova. Já aos 17 minutos a temperatura
é de 500ºC e a tensão radial é de 49,7 MPa, enquanto que no fim da simulação aos
28 minutos (800ºC) a tensão radial máxima é de 81,9 MPa no centro do corpo de
prova.
Figura 32: Tensão radial no modelo sem revestimento ao longo do tempo
Fonte: Autor (2019).
Com relação à tensão de cisalhamento no corpo de prova, pode-se perceber
na Figura 33 que as curvas possuem configurações semelhantes ao longo do tempo,
apresentando um patamar onde a tensão é aproximadamente constante, que varia
desde a parede externa do corpo de prova até uma profundidade próxima aos 3,1
centímetros. A partir deste ponto, as curvas de tensão passam a ser de caráter
crescente, atingindo valores de 15,6 MPa aos 10 minutos de aquecimento,
correspondente a uma temperatura de 300ºC; 26,5 MPa aos 17 minutos quando a
temperatura é de 500ºC; e 43,7 MPa aos 28 minutos, no fim da simulação aos 800ºC.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão R
adia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
63
Figura 33: Cisalhamento no modelo sem revestimento ao longo do tempo
Fonte: Autor (2019).
4.2. INFLUÊNCIA DA ARGAMASSA DE REVESTIMENTO NO
COMPORTAMENTO DO CONCRETO
A variação na espessura da argamassa que reveste o concreto influencia
diretamente na redistribuição de temperatura e de tensões para o interior do concreto.
Como já foi citado anteriormente, a argamassa em questão apresenta boas
propriedades térmicas, por isso espera-se que a mesma contribua para que os
modelos em que o concreto é revestido apresentem melhor desempenho
termomecânico do que aquele sem revestimento.
As Figuras 34, 35 e 36 representam os modelos nos quais o concreto foi
revestido com uma espessura de respectivamente 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm de
argamassa. Vale salientar que só foram considerados na análise os elementos
constituídos de concreto, sendo excluídos os elementos da argamassa. Assim, a
largura da linha modelo é a mesma da análise anterior (5 cm) e corresponde ao raio
do corpo de prova. Nota-se que as curvas térmicas apresentam configurações
semelhantes às do modelo sem revestimento, porém as temperaturas máximas que
foram atingidas na superfície do concreto diminuíram em relação ao modelo base, à
medida que a espessura aumentava.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão d
e c
isalh
am
ento
(M
Pa)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
64
Figura 34: Perfil térmico do modelo com 1,5 cm de revestimento
Fonte: Autor (2019).
Figura 35: Perfil térmico do modelo com 3,0 cm de revestimento
Fonte: Autor (2019).
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
65
Figura 36: Perfil térmico do modelo com 4,5 cm de revestimento
Fonte: Autor (2019).
As Figuras 37, 38 e 39 mostram o comparativo entre as curvas térmicas dos
modelos sem cobrimento e com as diferentes espessuras (1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm)
de argamassa para as temperaturas máximas aproximadas de 300ºC, 500ºC e 800ºC,
que ocorrem nos tempos de 10 minutos, 17 minutos e 28 minutos, respectivamente.
Essas curvas comparativas permitem uma melhor visualização de como se deu a
redução da temperatura máxima na extremidade do corpo de prova em função do
aumento na espessura da argamassa de cobrimento. A linha azul na vertical
representa a posição da armadura, sendo adotado para os modelos um cobrimento
de 2,5 cm de concreto para a mesma. Mais adiante serão feitas as análises da
distribuição de temperatura na armadura e como o revestimento argamassado
influenciou no sentido de atrasar o avanço da temperatura para a mesma.
0
100
200
300
400
500
600
700
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0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
1 minuto 5 minutos 10 minutos 14 minutos
17 minutos 23 minutos 28 minutos
66
Figura 37: Comparação dos perfis térmicos para as diferentes espessuras de argamassa aos 10 minutos de aquecimento
Fonte: Autor (2019).
Figura 38: Comparação dos perfis térmicos para as diferentes espessuras de argamassa aos 17 minutos de aquecimento
Fonte: Autor (2019).
304
291282275
110
140
170
200
230
260
290
320
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm Armadura
496
473458446
170
220
270
320
370
420
470
520
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm Armadura
67
Figura 39: Comparação dos perfis térmicos para as diferentes espessuras de argamassa aos 28 minutos de aquecimento
Fonte: Autor (2019).
É possível constatar que aos 10 minutos, tempo necessário para o modelo sem
revestimento atingir uma temperatura de 304ºC, os modelos com 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5
cm de argamassa atingiram respectivamente as temperaturas máximas de 291ºC,
282ºC e 275ºC. Percentualmente, esses valores representam um decréscimo de
temperatura de 4,28% para o cobrimento de 1,5 cm; de 7,24% para o cobrimento de
3,0 cm e de 9,54% para o cobrimento de 4,5 cm.
Aos 17 minutos de aquecimento o modelo sem revestimento atinge uma
temperatura de 496ºC, enquanto os modelos com 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm de
argamassa atingem respectivamente as temperaturas máximas de 473ºC, 458ºC e
446ºC. Isso representa uma queda percentual de temperatura de 4,64% para o
cobrimento de 1,5 cm; de 7,66% para o cobrimento de 3,0 cm e de 10,08% para o
cobrimento de 4,5 cm.
Aos 28 minutos de exposição a temperatura máxima atingida pelo modelo sem
revestimento foi de 797ºC, enquanto os modelos com 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm de
argamassa alcançam respectivamente as temperaturas de 760ºC, 735ºC e 715ºC. A
redução percentual na temperatura foi de 4,64% para o cobrimento de 1,5 cm; de
7,78% para o cobrimento de 3,0 cm e de 10,29% para o cobrimento de 4,5 cm.
797
760735715
270
350
430
510
590
670
750
830
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tem
pera
tura
(ºC
)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm Armadura
68
Embora a redução percentual na temperatura seja sempre crescente,
chegando inclusive a mais de 10% para o cobrimento de 4,5 cm, nota-se que
numericamente essa redução é cada vez menor conforme a espessura do cobrimento
é elevada. Assim, pode-se dizer que a curva que representa o decréscimo de
temperatura em função da espessura do cobrimento não é linear e está representada
na Figura 40.
Figura 40: Redução na temperatura em função da espessura do cobrimento
Fonte: Autor (2019).
Os modelos revestidos com argamassa também sofrem com o aparecimento
de tensões térmicas oriundas dos gradientes de temperatura. Nas Figuras 41, 42 e 43
estão expressas a distribuição de tensão tangencial ao longo do eixo x-x para as
temperaturas de 300ºC, 500ºC e 800ºC. Como dito anteriormente, as tensões de
compressão surgem nas regiões mais próximas da carga de temperatura. Nos
modelos revestidos a região mais próxima ao calor é a de argamassa, e isso contribui
para o fato de que a medida que a espessura de cobrimento é aumentada, a tensão
de compressão que atua na parede externa do concreto é cada vez menor, chegando
a inverter para tração no modelo com 4,5 cm de cobrimento. Isso pode acarretar em
um problema, visto que o concreto não apresenta boa resistência à tração e a
armadura deve ser recoberta, ou seja, o cobrimento do aço pode apresentar
problemas quanto à tração.
304291 282 275
496473
458 446
797
760735
715
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50
Tem
pera
tura
(ºC
)
Cobrimento (cm)
10 minutos 17 minutos 28 minutos
69
Figura 41: Tensão tangencial para os diferentes cobrimentos aos 300ºC
Fonte: Autor (2019).
Figura 42: Tensão tangencial para os diferentes cobrimentos aos 500ºC
Fonte: Autor (2019).
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão T
angencia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
-20
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0
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20
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60
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão T
angencia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
70
Figura 43: Tensão tangencial para os diferentes cobrimentos aos 800ºC
Fonte: Autor (2019).
Aos 300ºC a tensão atuante na extremidade do concreto é de 7,96 MPa de
compressão quando o concreto não é revestido e passa a ser de 1,65 MPa de tração
no caso de maior espessura de revestimento (4,5 cm). Aos 500ºC ela passa de 13,5
MPa de compressão para 2,80 MPa de tração, e aos 800ºC vai de 22,3 MPa de
compressão para 4,61 MPa de tração.
No centro do corpo de prova, em todas as situações a tensão é de tração. Aos
300ºC ela varia de 21,3 MPa quando não revestido para 28 MPa quando com 4,5 cm
de revestimento, o que significa um aumento percentual de 31,46%. Aos 500ºC o
acréscimo é de 36,3 MPa para 47,6 MPa (31,13%) e aos 800ºC de 59,8 MPa para
78,4 MPa, ou seja, 31,10%.
O acréscimo que acontece nas tensões de tração no centro do corpo de prova
pode ser explicado pelo fato de o concreto estar confinado no interior do revestimento
da argamassa. Este confinamento restringe a movimentação e as consequentes
deformações do concreto, logo, à medida que a espessura da argamassa é elevada,
maior é a restrição e consequentemente maiores as tensões no centro do corpo de
prova de concreto. Esse aumento nas tensões de tração pode ser observado tanto
nas situações anteriores (direção tangencial) quanto na direção radial, cujas tensões
estão representadas nas Figuras 44, 45 e 46.
-40
-20
0
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80
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0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050Tensão T
angencia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
71
Figura 44: Tensão radial para os diferentes cobrimentos aos 300ºC
Fonte: Autor (2019).
Figura 45: Tensão radial para os diferentes cobrimentos aos 500ºC
Fonte: Autor (2019).
0
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0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão R
adia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
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0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão R
adia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
72
Figura 46: Tensão radial para os diferentes cobrimentos aos 800ºC
Fonte: Autor (2019).
Em todas as situações as tensões radiais máximas são de tração e atuam no
centro do corpo de prova. Para a temperatura de 300ºC a tensão alcança os 29,2 MPa
no modelo não revestido e chega aos 35,1 MPa no modelo revestido com 4,5 cm de
espessura, sendo este acréscimo na ordem percentual de 20,21%. Aos 500ºC a
tensão varia entre 49,7 MPa quando não revestido e 59,6 MPa quando revestido com
4,5 cm, ou seja, há um acréscimo de 19,92%. Por fim, na temperatura de 800ºC a
variação é de 81,9 MPa para 98,2 MPa, consistindo em um acréscimo percentual de
19,90%.
Com relação à tensão de cisalhamento percebe-se que o patamar existente no
modelo sem revestimento, no qual a tensão é aproximadamente constante, para os
modelos revestidos diminui ou passa a inexistir. Também é possível perceber que a
região que representa a interface de ligação entre o concreto e a argamassa é uma
região em que a tensão de cisalhamento atuante é alta. Isso é explicado pelas
diferentes propriedades entre os materiais, que provocam uma fragilidade na região,
como pode ser visto na Figura 47.
0
20
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60
80
100
120
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão R
adia
l (M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
73
Figura 47: Cisalhamento nos modelos revestidos com 1,5 cm, 3,0 cm e 4,5 cm submetidos à temperatura de 800ºC
Fonte: Adaptado de ADINA R & D, INC (2019).
As Figuras 48, 49 e 50 mostram o comparativo entre os modelos revestidos e
o não revestido quanto à tensão de cisalhamento, nas temperaturas de 300ºC, 500ºC
e 800ºC, respectivamente.
Figura 48: Cisalhamento para os diferentes cobrimentos aos 300ºC
Fonte: Autor (2019).
0
5
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0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão d
e c
isalh
am
ento
(M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
74
Figura 49: Cisalhamento para os diferentes cobrimentos aos 500ºC
Fonte: Autor (2019).
Figura 50: Cisalhamento para os diferentes cobrimentos aos 800ºC
Fonte: Autor (2019).
Como já dito anteriormente, pode-se perceber que no modelo sem revestimento
existe um patamar de aproximadamente 3,1 cm onde a tensão de cisalhamento é
0
5
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15
20
25
30
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40
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão d
e c
isalh
am
ento
(M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
0
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30
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50
60
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050
Tensão d
e c
isalh
am
ento
(M
Pa)
Raio do modelo (m)
0,0 cm 1,5 cm 3,0 cm 4,5 cm
75
aproximadamente constante. Para o modelo revestido com 1,5 cm de espessura esse
patamar é bem menor, enquanto que para as outras duas espessuras de cobrimento,
ele não existe.
Na região correspondente ao corpo de prova de concreto, a maior tensão de
cisalhamento atuante ocorre no centro para todas as situações. Para a temperatura
de 300ºC essa tensão varia de 15,6 MPa no modelo não revestido para 19,7 MPa no
modelo de maior espessura de revestimento (4,5 cm), representando um acréscimo
percentual de 26,28%. Aos 500ºC ela varia de 26,5 MPa para 33,6 MPa, aumentando
26,79%. Por fim, aos 800ºC a tensão de cisalhamento no modelo não revestido é de
43,7 MPa e varia até 55,3 Mpa no modelo de 4,5 cm, consistindo em um aumento
percentual de 26,54%.
4.3. INFLUÊNCIA DA ARGAMASSA DE REVESTIMENTO NO
COMPORTAMENTO DA ARMADURA DO CONCRETO
Como já foi dito anteriormente, a armadura de aço é de grande importância
quando utilizada junto ao concreto, pois apresenta grande resistência à tração.
Quando exposta a grandes temperaturas a armadura começa a perder parte dessa
resistência, o que é um grande problema para o sistema, visto que a maior parte das
tensões no interior do concreto é justamente de tração.
De acordo com as normas EN 1992-1-2:2004 e NBR 15200:2004 apud Costa
(2008), até os 400ºC o aço laminado a quente não sofre redução na sua resistência à
tração, pois ela é facilmente recuperada após o apagar das chamas. Entretanto, a
partir dos 500ºC essa perda já é de 22% e chega os 89% aos 800ºC.
Após a simulação dos modelos sem revestimento e com as três espessuras de
argamassa, foram extraídos os dados da temperatura atingida na posição da
armadura (2,5 cm a partir da parede externa do concreto) para cada uma das
situações. O gráfico de três dimensões representado na Figura 51 mostra a influência
de duas variáveis, no caso o tempo de exposição e a espessura do cobrimento de
argamassa, na temperatura alcançada na armadura do concreto.
76
Figura 51: Influência do tempo de exposição e da espessura da argamassa de revestimento na temperatura atingida na armadura
Fonte: Autor (2019).
Através do gráfico podemos facilmente perceber que as situações mais críticas
acontecem no tempo máximo de exposição no modelo sem revestimento. A Tabela 6
mostra o tempo necessário para que a temperatura na armadura alcançasse a
temperatura de aproximadamente 500ºC para os quatro tipos de revestimento, visto
que nessa temperatura a sua resistência à tração já é de aproximadamente 78% da
resistência original.
Tabela 6: Tempo necessário para a armadura chegar aos 500ºC
Cobrimento (cm) Tempo (min) Temperatura média na armadura (ºC)
0,00 19,00 501,22
1,50 20,00 500,17
3,00 21,00 504,47
4,50 22,00 511,68
Fonte: Autor (2019).
Logo, é possível afirmar que o aumento na espessura da argamassa de
cobrimento pouco influencia no atraso do avanço da temperatura para a armadura do
77
concreto. Cada novo aumento de 1,5 cm de cobrimento acarretou em um atraso de
aproximadamente 1 minuto em relação ao cobrimento anterior, para que a
temperatura na armadura chegasse à aproximadamente 500ºC. Com isso, o retardo
máximo que foi conseguido foi de apenas 3 minutos para o modelo com maior
espessura de revestimento, 4,5 cm.
Como explicado anteriormente, o tempo máximo de exposição dos modelos foi
de 28 minutos, correspondente ao intervalo necessário para que a temperatura
máxima alcançada no modelo sem revestimento fosse de 800ºC, situação que ocorre
na parede externa do concreto. A temperatura média na armadura no instante final do
carregamento está descrita na Tabela 7, para os diversos cobrimentos de argamassa.
Tabela 7: Temperatura média na armadura aos 28 minutos para cada espessura de revestimento
Cobrimento (cm) Tempo (min) Temperatura média na armadura (ºC)
0,00 28,00 724,42
1,50 28,00 688,24
3,00 28,00 662,63
4,50 28,00 643,36
Fonte: Autor (2019).
A redução percentual de temperatura do modelo sem revestimento para o
modelo com 1,5 cm de espessura de argamassa foi de 4,99%. Para o modelo com 3,0
cm esse percentual foi de 8,53%, enquanto que para o modelo com 4,5 cm de
cobrimento foi de 11,19%. Essa redução é um pouco maior se comparada a
temperatura que foi atingida na extremidade do concreto para o mesmo intervalo de
tempo, que chegou no máximo a 10,29%.
Com relação à perda de resistência a tração, pode-se afirmar que o aumento
do cobrimento é relativamente positivo para a proteção da armadura, pois ainda de
acordo com as normas EN 1992-1-2:2004 e NBR 15200:2004 apud Costa (2008), o
intervalo entre 500ºC e 800ºC mostra uma variação brusca de perda na resistência.
Para os 700ºC, que é um valor mais próximo a temperatura máxima na armadura do
modelo sem cobrimento, a resistência a tração é de apenas 23% da original, enquanto
que para os 600ºC, valor mais próximo a temperatura do modelo com 4,5 cm de
cobrimento, ela é de 47%.
78
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho, através de simulações numéricas utilizando om o método dos
elementos finitos, foi possível analisar o comportamento termomecânico do concreto
submetido a cargas crescentes de temperaturas, até um valor máximo de 800ºC, no
que diz respeito à distribuição de temperatura e de tensões para o interior do concreto.
Além disso, através das comparações entre os modelos criados, foi possível analisar
a influência da espessura de uma camada de revestimento argamassado na proteção
do concreto nessas situações, bem como a sua influência em retardar o avanço das
temperaturas para o interior do concreto, inclusive na posição teórica em que se
localiza a armadura, definida em 2,5 cm a partir da parede externa do concreto.
Os modelos construídos obedeceram uma taxa de aquecimento de 27,4ºC/min,
levando respectivamente 10 minutos, 17 minutos e 28 minutos para atingirem as
temperaturas máximas de 300ºC, 500ºC e 800ºC. As curvas térmicas mostraram que
as temperaturas máximas acontecem nas regiões mais próximas da fonte de calor, ou
seja, na parede externa do concreto, e são decrescentes conforme se distanciam da
mesma, alcançando o valor mínimo no centro do corpo de prova.
As regiões mais próximas da fonte de calor estão sujeitas a tensões
tangenciais de compressão, enquanto que as regiões mais internas do concreto,
onde a temperatura é menor, são sujeitas a tração. Numericamente, as tensões
máximas chegaram a ordem de 22,3 MPa para compressão e 59,8 MPa para tração,
e ocorreram nos 28 minutos de aquecimento, correspondente ao tempo necessário
para a temperatura chegar aos 800ºC.
A tensão radial é crescente conforme se aproxima do centro do corpo de prova
e é exclusivamente de tração, alcançando valor máximo de 81,9 MPa aos 800ºC. Já
as curvas que representam a tensão de cisalhamento apresentam um patamar onde
o valor é aproximadamente constante e a partir do qual são crescentes, alcançando
os 43,7 MPa para a temperatura de 800ºC.
Ao analisar a influência da espessura da argamassa de revestimento,
percebeu-se que a temperatura máxima atuante sofreu reduções percentuais de
4,64% para a espessura de 1,5 cm; 7,78% para a espessura de 3,0 cm e de 10,29%
para a espessura de 4,5 cm. Embora essa redução percentual seja sempre
crescente, notou-se que numericamente essa redução é cada vez menor,
caracterizando uma curva não linear de decréscimo de temperatura.
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Devido ao efeito do confinamento do concreto na argamassa, que restringe as
suas deformações, nota-se que as tensões atuantes no interior do concreto são
maiores à medida que a espessura de argamassa é aumentada, se comparadas ao
modelo sem revestimento. Tangencialmente, a tensão máxima de tração no centro
do corpo de prova sofreu um aumento percentual de 31,10%, enquanto que
radialmente esse aumento foi de 19,90%.
A região de argamassa está mais próxima da fonte de calor, sendo mais sujeita
à compressão. Assim, as tensões de compressão na base do concreto são menores
conforme essa espessura aumenta, chegando a inverter o seu valor para tração no
modelo com 4,5 cm de cobrimento. Isso caracteriza um problema, visto que o
concreto não possui boa resistência a tração, e a sua armadura, que possui boa
resistência, deve ser recoberta. Por isso, conclui-se que a influência da argamassa
na proteção do concreto não é tão satisfatória quando a sua espessura é alta.
A interface de ligação entre concreto e argamassa é uma região em que a
tensão de cisalhamento é alta, devido às diferentes propriedades entre esses
materiais, caracterizando uma fragilidade nessa região. Além disso, percebeu-se que
o patamar do modelo sem revestimento onde a tensão de cisalhamento era constante
é menor ou não existe nos modelos revestidos. Numericamente, a tensão de
cisalhamento máxima sofre um aumento percentual de 26,54% entre o modelo sem
revestimento para o modelo com 4,5 cm de argamassa.
No que diz respeito a influência da argamassa na proteção da armadura do
concreto, percebeu-se que essa região sofreu redução percentual um pouco maior
do que nas regiões extremas do concreto, chegando aos 11,19% nos 800ºC.
Numericamente, essa redução foi de 724,24ºC para 643,36ºC, o que pode ser
considerado positivo quanto à conservação da resistência a tração do aço, que é de
23% aos 700ºC, mas aumenta para 47% aos 600ºC. Entretanto, quanto ao tempo
necessário para a armadura atingir os 500ºC, quando sua resistência é de 78%, a
argamassa foi pouco influente, visto que o retardo máximo foi de apenas 3 minutos,
no modelo com 4,5 centímetros de espessura.
Diante de tudo isso, conclui-se 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. Esse comportamento pode
ser explicado devido as boas propriedades térmicas apresentadas pela vermiculita
utilizada como parte do agregado da argamassa. Devido ao confinamento, as
80
tensões de tração no interior do concreto são maiores à medida que a espessura de
cobrimento aumenta, porém elas são resistidas pela armadura do concreto, 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, o que pode prejudicar o comportamento
termomecânico naquela região.
Diante de todos os resultados obtidos neste trabalho, percebe-se a
importância de se estudar o comportamento termomecânico do concreto quando
submetido a altas temperaturas, pois os elementos estruturais devem ser
dimensionados de maneiras a suportar por um determinado tempo essas situações.
Vale salientar a dificuldade na simulação de um incêndio real, visto que muitos fatores
importantes são desconsiderados pelos softwares.
Este trabalho deixa como sugestões para o futuro que as simulações pelo
método dos elementos finitos sejam aprimoradas com o acréscimo de outras
variáveis importantes durante um incêndio, como as cargas de convecção e radiação,
o próprio carregamento original ao qual o elemento estrutural estava submetido, além
da inclusão do patamar de tempo onde a temperatura se estabiliza e se mantém
constante, antes do resfriamento acontecer. Outra sugestão é que a simulação do
aquecimento de corpos de prova revestidos e não revestidos seja feita também em
laboratório, a fim de validar os modelos criados nesse trabalho quanto a influência
da argamassa de vermiculita na proteção do concreto em situações de incêndio.
81
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