análise termoestrutural de vigas de concreto armado em situação de incêndio

7/26/2019 Anlise Termoestrutural de Vigas de Concreto Armado Em Situao de Incndio.

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ANAIS DO 58 CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC201658CBC2016 1

Anlise Termoestrutural de Vigas de Concreto Armado em Si tuao deIncndio.

Thermal-structural analysis of reinforced concrete beans under fire.

Macedo, T. A. (1); Lombardi, D. B. (1); Rocha, J. C. M. S. (2)

(1) Centro Universitrio de Braslia UniCEUB, Faculdade de Tecnologia e Cincias Sociais Aplicadas,FATECS, Diviso de Engenharia Civil.

(2) Ministio Pblico Federal, Secretaria de Engenharia e Arquitetura, Diviso de Engenharia Civil(DEC/SEA).

SAF Sul, Quadra 4, Conjunto C, s/n - Zona Cvico-Administrativa, Braslia - DF, 70050-900

Resumo

O incndio sempre representou um risco s edificaes, comprometendo a segurana estrutural e humana. de interesse da engenharia civil a anlise de edifcios em situao de incndio, para que se possa preveniro colapso prematuro da estrutura.Este trabalho tem como objetivo analisar, numericamente, a variao detemperatura nas sees transversais de vigas de concreto armado em situao de incndio, levando emconsiderao a compartimentao do ambiente em chamas e material celulstico como combustvel. O estudoutiliza o software ANSYS 16 com verificao do transiente do gradiente trmico na pea. Foram utilizadosmodelos tridimensionais para a obteno dos gradientes e determinao da envoltria de 500C. Osresultados foram comparados com a ISO 834, NBR 14323 e EUROCODE 1-2,os quais apresentam bacoscom as mximas temperaturas das sees transversais das vigas e linhas isotermas pr-estabelecidas.Encontrou-se uma pequena divergncia na angulao das isotermas em comparao com os bacosanalisados, espera-se que em decorrncia da discrepncia de fatores utilizados nas simulaes e no baco.Palavra-Chave: Incndio; Concreto; ANSYS.

Abstract

Fire has always represented risk to buildings, compromising structural and human safety. It is an interest ofstructural engineering the analysis of buildings under fire conditions to prevent the premature collapse of thestructure. This paper has the objective to numerically analyze the temperature range in transversal sect ions ofreinforced concrete beans under fire circumstances, considering ambient divisions and cellulosic fuel. Thestudy uses the software ANSYS 16 within verification of the transient thermal gradient in the beam. There wasused three dimensional models to obtain the gradients and determine the 932 Fahrenheit envelopment,

including thermal structural analysis. The results were compared to ISO 834, NBR 14323 and EUROCODE 1,which shows graphs with the maximum temperatures of the beams sections, and some pre-establishedisothermal lines. There was found a little divergence in the angulation of isothermals in comparison with theanalyzed graphs, it is thought to be caused by the discrepancy of the simulation and the graph used data.Keywords: Fire; Concrete; ANSYS.


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1 Introduo

O concreto armado, quando submetido a altas temperaturas, perde parte de suaresistncia. Para garantir a segurana estrutural, necessrio que se leve em consideraono projeto a situao de incndio.A norma NBR 15200 (2012) e o Eurocode 1 (1998) apresentam mtodos tabulares para oprojeto de estruturas sob situao de incndio e mtodos simplificados que requerem umaanlise trmica explicitando a variao de temperatura da seo transversal ao longo dotempo. Apesar dos mtodos tabulares serem os mais simples de utilizar, so os queoferecem menor preciso. Como alternativa eles, Albuquerque (2015) sugere a utilizaode um mtodo grfico, baseado em anlises numricas. O presente estudo compara os

resultados de temperatura ao longo da seo transversal de uma viga hipottica obtidos nosoftwareANSYS com as linhas isotermas presentes no Eurocode 1.Quando submetido a altas temperaturas, os agregados expandem-se at suadesestruturao qumica, enquanto a pasta de cimento, quando submetida a temperaturasmaiores que 300C apresenta contrao (NINCE et al. (2003)). A medida que os agregadose a matriz cimentcia se deformam de maneira no uniforme, o aumento de temperaturaconduz desagregao do concreto armado (Tabela 1).

Tabela 1Efeitos da temperatura na resistncia do concreto.(BRANCO & SANTOS (2000) e MORALES et al. (2011))

Temperatura[C] Efeito

Resistncia

Residual[%]

100200 Lascamento, incio da desidratao do C-S-H** 100200300 Retrao por perda de gua da tobermorita**** e dilatao

dos agregados90

300400 Intensificao da desidratao do C-S-H**, ocorrncia defissuras superficiais

80

400500 Retrao acentuada por desidratao do hidrxido declcio

40

500600 Desidratao acentuada do hidrxido de clcio 30575 Expanso do quartzo, com fissurao da matriz cimentcia -

600700 Transformao dos agregados. CaCO3* CaO* + CO2* -870 Transformao do quartzo em tridimita*** -

*Carbonato de clcio transforma-se em xido de clcio + dixido de carbono.

**Composto qumico do cimento Portland, descrito por 3CaO . 2SiO2 . 3H2O.

***Cristal de baixa resistncia mecnica gerado aps a exposio do quarto a altas temperaturas.

****Gel mineral que se forma na interface matriz cimentciaagregado grado durante a cura do concreto.

Alm da perda de resistncia do concreto devido desagragao, outro aspecto a serlevado em considerao a perda de aderncia do ao no concreto. Segundo BUCHANAN(2001), ao atingir 500C, a aderncia reduzida em 50%.


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2 Incndio-padro

A equao [1] dada pela ISO-834 como Curva-padro ou curva de incndio-padro.Trata-se de um modelo matemtico desenvolvido pela International Organization forStandardization(1975) para estimar a variao de temperatura dos gases da atmosfera emsituao de incndio com material celulsico.

= 345 ln(8 + 1) [1]

Onde: = temperatura num instante qualquer [C]

=temperatura no instante t=0

t = tempo [min]

A curva padronizada no depende do tipo de edificao, nem de suas dimenses. Admite-se que a temperatura obedece uma relao logartmica. Segundo COSTA & SILVA (2003),deve-se utilizar este mtodo com precauo, visto que no corresponde a um incndio real.Contudo, o modelo de incndio-padro pode ser utilizado como referncia para seestabelecer o tempo requerido de resistncia ao fogo (TRRF) (COSTA & SILVA, 2004). NoBrasil, de acordo com a NBR 14432 (2001) e a instruo tcnica IT 08/11 (CB-PMESP(2011)), o TRRF varia entre 30 e 180 minutos, em funo das caractersticas dos materiaisempregados, mtodo construtivo e do uso da edificao.

A partir da necessidade de uma curva padro para materiais no-celulsicos e altamenteinflamveis, como foi o caso do incndio decorrente dos ataques terroristas no World TradeCenterem 2001, desenvolveu-se tambm a curva H, ou hydrocarbon curve, descritapela equao [2].

= 1080 (1 0,33, 0,68,) [2]

Onde: = temperatura num instante qualquer [C]=temperatura no instante t=0t = tempo [min]

(a) (b)

Figura 2Variao da temperatura em funo do tempo (a) Curva padro (b) Curva H


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3 Mtodo dos 500C

O Eurocode 2 Part 1.2 (2002) apresenta a proposta de mtodo analtico de verificao daresistncia de elementos estruturais em situao de incndio denominado mtodo dos500C.BUCHANAN (2001) sugere que seja desprezada a regio perifrica do elemento estruturalcom temperatura acima de 500C, por este perder sua capacidade de resistir acarregamentos. Os efeitos do calor na armadura so considerados por meio da reduo domdulo de elasticidade do ao em funo da temperatura, assumindo-se a temperatura daisoterma da seo transversal que passa pelo centro geomtrico da armadura.Para o dimensionamento de peas em concreto de alto desempenho (CAD), a espessura

definida como sendo o contorno da pea que atingiu e/ou superou o limite de 500C corrigido em funo do Fck pela equao [3] e tabela 2 abaixo.

,= [3]

Onde: =Fator de correo dado pela tabela 2,=Espessura delimitada pela isoterma de 500C para CAD [mm]

Tabela 2Fator decorreo da isoterma de 500C para Fck50 Mpa. (PrEN 1992-1-2 (2002)) []

1,1 55 6760 75

1,370 8580 95

Utilizar outros mtodos80 95

90 105

Segundo COSTA (2004), os procedimentos para dimensionamento so os seguintes:1. Determinar o gradiente de temperatura na seo transversal em funo do TRRF;2. Reduzir a seo transversal em funo da espessura que atingir 500C;3. Determinar a temperatura das armaduras;4. Determinar as caractersticas mecnicas do ao em funo da temperatura;5. Estimar a capacidade da pea com as propriedades mecnicas reduzidas;6. Comparar o valor de clculo do esforo resistente em temperatura elevada com o

valor do esforo solicitante de clculo em situao excepcional.

4 Modelo Numrico

Para a construo do modelo numrico, foram escolhidas vigas retangulares com 30 x

60cm e 25 x 70cm. Todas com Fck=30Mpa, estribos e armadras longitudinais=,

. O cobrimento utilizado em todos foi cob = 30 mm e, para efeitos de isolamento, o topo

da viga foi considerado como termicamente isolado.Os valores de massa especfica do concreto simples e do ao foram adotados, comopropostos pela NBR 6118 (2014) e NBR 7480 (2007), iguais a 2400kg/m e 7850kg/m


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respectivamente. As propriedades dos materiais esto listadas na tabela 3. Uma seotpica est ilustrada na figura 3.

Tabela 3Propriedades do modelo numrico

Propriedade Valor

Resistncia do concreto () 30 Resistncia do ao () 435 Mdulo de elasticidade do concreto* () 30,7 Mdulo de elasticidade do ao () 207 Condutividade trmica do concreto () 2 /.

Condutividade trmica do ao () 52 /.Calor especfico do concreto () 880 /Calor especfico do ao () 434 /

= 5600 ; < 90.

No modelo numrico tambm foi considerado, como indica MORALES et al. (2011), adiminuio do mdulo de elasticidade do concreto em funo da temperatura, como indicaa figura 4 a seguir.

Figura 3Seo transversaltpica.

Figura 4Porcentagem residual do valor de Ec em funo datemperatura.

5 Resultados

5.1 Viga 30x60cm

Observou-se que a isoterma de 500C somente comea a ficar visvel por volta dos 45minutos de exposio ao fogo. No tempo de 2h, 8% da seo transversal de concreto perdida.


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A seguir encontram-se cortes da mesma seo transversal obtidos entre 30 e 180 minutos.As linhas isotermas da seo transversal so apresentadas nas figuras de 5 a 10 a seguir,com nfase na isoterma de 500C. Na tabela 4 encontram-se os dados de mxima e mnimatemperatura da seo transversal, distncia da isoterma face externa da viga e percentualde rea de concreto considerada com resistncia igual a zero.

Figura 5Viga 30x60cm: 30 minutos de exposio Figura 6Viga 30x60cm: 60 minutos de exposio

Figura 7Viga 30x60cm: 90 minutos de exposio Figura 8Viga 30x60cm: 120 minutos deexposio


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Figura 9Viga 30x60cm: 150 minutos deexposio

Figura 10Viga 30x60cm:180 minutos deexposio

Tabela 4Temperaturas na seo transversal e distncia mdia da isoterma de 500C para a superfcie

Tempo [min] Tmx[C] Tmn [C]Isoterma de 500C Percentual de seo

transversal perdida[%]

Mnimo [mm]Mximo

[mm]

30 552,4 22,4 1,2 4,9 1%60 723,0 52,0 12,3 21,5 8%90 819,1 107,2 24,6 33,8 13%120 888,0 174,0 43,0 58,4 23%150 941,4 244,3 55,3 76,8 29%180 984,9 314,4 79,9 108,8 40%

Para a viga analisada com 30 x 60 cm de seo transversal submetida a um incndio dematerial celulsico, calculado com a curva de incndio padro, observou-se que em cercade 80 minutos o fogo atinge a armadura, a partir da a resistncia da pea no pode maisser garantida. 20% de sua rea de concreto til perdida nas primeiras 2 horas de fogo.Aos 180 minutos, 40% da seo transversal ter sua resistncia de projeto zerada.

5.2 Viga 25x70cm

Observou-se que a isoterma de 500C somente comea a ficar visvel por volta dos 40minutos de exposio ao fogo. No tempo de 2h, 18% da seo transversal de concreto

perdida.A seguir encontram-se cortes da mesma seo transversal obtidos entre 30 e 180 minutos.As linhas isotermas da seo transversal so apresentadas nas figuras de 11 a 16 a seguir,


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com nfase na isoterma de 500C. Na tabela 5 encontram-se os dados de mxima e mnimatemperatura da seo transversal, distncia da isoterma face externa da viga e percentualde rea de concreto considerada com resistncia igual a zero.



Figura 13Viga 25x70cm: 90 minutos deexposio Figura 14Viga 25x70cm: 120 minutos deexposio


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Tabela 5Temperaturas na seo transversal e distncia mdia da isoterma de 500C para a superfcie

Tempo [min] Tmx [C] Tmn [C]Isoterma de 500C Percentual de

seo transversalperdida [%]

Mnimo[mm]

Mximo[mm]

30 564,1 30,4 1,0 4,0 1%60 719,8 85,4 6,1 30,7 7%90 817,6 167,7 22,2 54,4 16%120 888,6 255,4 23,2 65,8 18%150 944,1 341,3 60,2 83,3 33%

180 989,3 422,8 94,3 115,0 48%

Para a viga analisada com 25 x 70 cm de seo transversal submetida a um incndio dematerial celulsico, calculado com a curva de incndio padro, observou-se que em cercade 60 minutos o fogo atinge a armadura e a partir da a resistncia da pea no pode maisser garantida. 18% de sua rea de concreto til perdida nas primeiras 2 horas de fogo.Aos 180 minutos, 48% da seo transversal ter sua resistncia de projeto zerada.

5.3 Concluses

As duas vigas analisadas, com 30x60cm e 25x70cm, provavelmente no manteriam sua

capacidade de carga aps decorrido 1h do incio do incndio padro. Na figura 17 a seguir,encontra-se um comparativo dos resultados obtidos com o baco presente no eurocode 12 A. Importante ressaltar que a esbeltez da viga est diretamente relacionada com a


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quantidade de calor recebida durante uma situao de incndio, uma vez que uma seomais esbelta possui maior rea superficial e menor espessura.Os resultados obtidos esto condizentes com o previsto em norma. Esperava-se curvasmais acentuadas para um incndio de 2h. A discrepncia observada na angulao dasisotermas pode estar em funo do cobrimento utilizado, da condutividade trmica doconcreto ou pelo fato de o eurocode ser conservador em comparao com a anliserealizada no ANSYS.

Figura 17baco obtido na anlise da viga 30x60cm em comparao com o sugerido pelo EUROCODE(TRRF 120 minutos).

6 Referncias

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