concreto comportamento termico

Captulo 20

EFEITOS DA TEMPERATURA SOBRE O CONCRETO

Sergio Botassi dos Santos ConsultorSergio Botassi dos Santos ConsultorRubens Machado Bittencourt - FurnasN t G l t GNewton Goulart Graa C. C. Belo Monte

Livro Concreto: Cincia e TecnologiaEditor: Geraldo C. Isaia

I t d

Os efeitos da temperatura no concreto podem ter sua origem:

Introduo

p p g- Externa: Condies climticas como o frio e o calor,aliados baixa umidade do ar e ao do vento, so os ,fatores que geram ou potencializam problemas no concreto(variaes de volume, etc);- Interna: Calor proveniente da hidratao do aglomerante,quando o concreto ainda encontra-se no estado fresco

i l iprovoca variaes volumtricas na estrutura.

A temperatura, portanto, dependendo da sua origem podeinterferir no comportamento do concreto desde o estgioinicial de cura at em idades avanadas, quando ocorre o

ilb i t i bi tLivro Concreto: Cincia e Tecnologia

Editor: Geraldo C. IsaiaAutores: Sergio Botassi, Rubens Bittencourt, Newton Goulart

equilbrio trmico com o ambiente.

Mecanismos de Transmisso de Calor em E t t d C t

Conduo trmica:

Estruturas de Concreto

O calor se propaga, dentro de um corpo slido de concreto,

de regies de temperatura mais elevada para regies deg p p gtemperatura mais baixa, mesmo que o meio sejaanisotrpico, desde que estejam em contato direto.

A conduo no concreto relativamente inferior a outrosmateriais (ex.: ligas metlicas, asfalto) o que confere ao

id d d d id d d lmesmo capacidade de reter grande quantidade de calor edissip-lo gradativamente em taxas distintas, tanto maioresquanto mais prximas as superfcies de contatoquanto mais prximas as superfcies de contato.

Sendo assim, em concreto massa a conduo trmica omecanismo de transmisso preponderante do problema

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mecanismo de transmisso preponderante do problematrmico.


Conveco trmica:


Processo resultante de troca de energia trmica de um fluido

em contato com uma superfcie slida a uma temperaturap pdistinta, podendo ser representada na forma da lei deNewton de resfriamento.

um dos principais fenmenos de troca de calor quepotencializam o problema trmico, principalmente em

i b l d biestruturas mais esbeltas onde a rea exposta ao ambiente significativa em relao ao seu volume e proporcionamaiores riscos do problema trmico tais como em radiersmaiores riscos do problema trmico, tais como em radiers,grandes lajes, viga-parede, etc.



Radiao trmica:


O calor transmitido de um corpo de maior temperatura paraoutro de temperatura mais baixa atravs do espao,mesmo que exista vcuo entre eles.

Esse processo de transferncia de calor no consideradopara efeito de anlise trmica em concreto massa, pois osvalores atribudos ao processo so desprezveis em

l t i d t i d lrelao aos outros mecanismos de transmisso de calor.J em estruturas com grandes superfcies expostas, como em

l j d t di l d dlajes de concreto, a radiao solar pode ser uma grandefonte provocadora de deformaes causadoras de fissuras,como tambm em estruturas de concreto em contato com


como tambm em estruturas de concreto em contato comfornos e caldeiras na rea industrial.

Hid t d Ci t A hidratao do cimento uma grande fonte geradora de

l i i id d l t d t H

Hidratao do Cimento

calor nas primeiras idades ps-lanamento do concreto. Huma reao exotrmica, que pode liberar energia de at500J/g de cimento e provocar um aumento de temperatura de500J/g de cimento e provocar um aumento de temperatura deat 50 a 60C na estrutura de concreto. O calor de hidratao tem uma maior influncia na questoO calor de hidratao tem uma maior influncia na questotrmica quanto maior for o consumo na dosagem de concretoe o tipo de aglomerante. A adio de escria de alto forno moda ou pozolanas nocimento (CPIII ou CPIV) resulta em menor calor dehid t d hid t dhidratao, uma vez que as reaes de hidratao dessesprodutos so mais lentas. J os cimentos CPI, CPII-F e CPV,possuem normalmente maiores teores de alita e celita e


possuem normalmente maiores teores de alita e celita e,portanto, resultam em maior calor de hidratao.

V i d T tEssas variaes do ponto de vista geomtrico na estruturat d il di

Variaes de Temperatura

tendem a provocar oscilaes em suas dimenses que seimpedidas podem gerar fissuras. Ao do Frio: Ao do Frio:Pode provocar grande retrao capaz de fissurar o concreto,partindo da superfcie para o ncleo (macrofissuras)partindo da superfcie para o ncleo (macrofissuras).Estruturas mais esbeltas e/ou com pequena espessura estomais propensas a esse problema.p p p H tambm o problema do congelamento da gua a baixastemperaturas que pode gerar microfissuras. Para tanto, deve-te pe atu as que pode ge a c o ssu as a a ta to, de ese evitar a saturao com gua do concreto, tornando-omenos poroso (baixa relao a/c e estrutura com boa cura).


Outra forma de preveno a utilizao moderada deincorporador de ar.

V i d T tVariaes de Temperatura Ao do Calor:A execuo de concretos em tempo quente significa submeteras estruturas a elevaes de temperatura acima daquelas queseriam suportveis, podendo gerar como conseqncia afissurao do concreto, principalmente na fase de queda detemperatura conforme ilustrado na Figura 1temperatura, conforme ilustrado na Figura 1.

T (oC)

Tmx1

T1 T2

Tmx2

Figura 1 Modelo de evoluo das temperaturas em concretagens noturnas (em azul) e diurnas (em vermelho), podendo-se observar as diferenas dos

TL=T2

TL=T1podendo se observar as diferenas dos gradientes (DT1>DT2), e das temperaturas mximas (Tmx), em funo das diferentes temperaturas de lanamento (TL).


Idade (dia)

lanamento (TL).

V i d T tVariaes de Temperatura Ao do Calor:Os efeitos apontados na Figura 1 no se limitam somente aoconcreto massa, muito embora seja o problema maisrecorrente. Estruturas com espessura da ordem de grandezade 1 metro ou mais (referente menor dimenso) e consumode aglomerante superior a 400kg/m3 podem acumular calorde aglomerante superior a 400kg/m3 podem acumular calorsuficiente para que o problema trmico possa ser tambmsignificativo nessas situaes.significativo nessas situaes.Ex.: Blocos, sapatas e radiers de estruturas sujeitas agrandes carregamentos, pilares e vigas-paredes de grandesgrandes carregamentos, pilares e vigas paredes de grandesestruturas e/ou com elevado consumo de aglomerante, etc.


V i d T tVariaes de Temperatura Ao do Calor:Em muitos casos necessria a refrigerao do concretopara reduzir o pico de temperatura mxima, seja antes (pr)ou depois (ps) de lanado o concreto:

- Pr-refrigerao: Utiliza-se normalmenteg gelo em escama na mistura do concretofresco, conforme Figura 2.

Figura 2. Detalhe do ggelo em escama.

- Ps-refrigerao: Utilizao de uma reded t b i t i d t (Fi 3)de tubos no interior do concreto (Figura 3),com circulao de gua at que a temperaturado concreto atinja o seu mximo


do concreto atinja o seu mximo.Figura 3. Sistema de distribuio dos tubos nas frmas .

M d l d P bl T iModelagem do Problema TrmicoConsiste na resoluo numrica da equao de propagaode calor em um meio slido, deduzida da Lei de Fourier e doprincpio da conservao da energia, segundo a equaodiferencial apresentada na Equao 1diferencial apresentada na Equao 1.

(Equao 1)tTtTaTh //22onde:T = temperatura do elemento de volume considerado;Ta = elevao adiabtica de temperatura do concreto;a pt = varivel tempo;h2 = (k/.c) difusividade trmica;k = condutividade trmica;;c = calor especfico; = massa especfica.

A E 1 d l id l Mt d d El t Fi it l Mt d d


A Equao 1 pode ser resolvida pelo Mtodo dos Elementos Finitos ou pelo Mtodo dasDiferenas Finitas, conforme detalhes apresentados nos trabalhos de Silva (2002) e Santos (2004).

M d l d P bl T iModelagem do Problema TrmicoPara o clculo do campo das temperaturas, so consideradas as seguintes condies de contorno:

- Temperatura ambiente (oC);- Coeficientes de transmisso superficial de calor atravs das diferentes superfcies: concreto/forma metlica/gua; concreto/ar e concreto/gua de cura/ar, todos expressos em kcal/(m.h.C);

T t t b l id h j t t d t t- Temperaturas preestabelecidas, caso haja contato da estrutura com outro ambiente ou material de temperatura constante.


M d l d P bl T iModelagem do Problema TrmicoAs propriedades trmicas devem sempre que possvel seremavaliadas por meio de ensaios. Entretanto, quando nodisponveis pode-se estim-las dentro dos intervalossugeridos por Santos (2004) na Tabela 1sugeridos por Santos (2004) na Tabela 1.

Propriedade Trmica Definio Faixa de Variao de Tabela 1 Propriedades trmicas intervenientes na anlise do campo de temperatura (SANTOS, 2004).

Propriedade Trmica Definio Valores

Calor Especfico Quantidade de calor necessria para levar em uma unidade de temperatura uma unidade de massa 1260 (a) (J/kg.K)

Condutividade Trmica Facilidade que o material possui em conduzir calor 3,6 (b) (W/m.K)E l id d d d d t t 6 (b)Difusividade Trmica Expressa a velocidade da mudana de temperatura no interior da massa do material

6 (b)(10-3 m2/h)

Incremento Adiabtico de Temperatura

Acrscimo de temperatura do concreto sob condies adiabticas

(c)

Coeficiente de Dilatao Variao adimensional do comprimento de um material para 14 (a)Coeficiente de Dilatao Trmica

Variao adimensional do comprimento de um material para uma unidade de temperatura do mesmo

14 ( )(10-6/C)

Notas:(a)Segundo Furnas(1997).(b)Informaes obtidas em Neville (1982) e ACI 224.R (ACI, 1990).


(c)Devido alta variao das propriedades que interferem no incremento adiabtico de temperatura, no se podem estabelecer limites em intervalo definido de valores. Recomenda-se consultar os trabalhos do ACI 207-2R (ACI, 2007) e de Faria (2004).

M d l d P bl T iModelagem do Problema Trmico

Se utilizada o mtodo dos elementos finitos (a)

deve-se criar uma malha, como ilustrado na Figura 4.a, contemplando se possvel toda a rea de anlise e seu entorno

(a)

rea de anlise e seu entorno.

Figura 4 - Malha utilizada nos estudos trmicos pelo modelo bidirecional de propagao de calor e isotemperaturas p p g p

(GAMBALE et. al., 2002).

Chega-se assim ao clculo da temperatura comChega se, assim, ao clculo da temperatura com o tempo e isotemperaturas (Figura 4.b). Deve-se analisar a temperatura em vrios pontos crticos

j it fi t i t i i

(b)

sujeitos a fissurao trmica, tais como: regio onde ocorre a mxima temperatura, prximo superfcie (em torno de 50cm), prximo


supe c e (e to o de 50c ), p o fundao ou local onde o nvel de restrio muito elevado.

R t T iRetrao TrmicaNo basta a anlise das temperaturas para se avaliar a segurana contra a fissurao trmica de uma estrutura. Deve-se tambm realizar anlises das tenses e/ou deformaes atuantes nessa estrutura, comparando as tenses de origem trmica com a resistncia traocomparando as tenses de origem trmica com a resistncia trao do concreto.Caso as estruturas de concreto tivessem total liberdade para seCaso as estruturas de concreto tivessem total liberdade para se deformar quando sujeitas a uma variao de temperatura, o concreto no seria submetido a nenhum esforo. No entanto, sempre existem

t i t / i t d f d trestries externas e/ou internas s deformaes do concreto, resultantes da ligao das estruturas com suas fundaes ou com outras estruturas, da ligao do concreto com as armaduras (no caso , g (de concreto armado) e tambm da prpria coeso interna do concreto. Tais restries provocam o surgimento de esforos no interior da estrutura que podem lev la fissurao caso sejam superiores sua


estrutura, que podem lev-la fissurao caso sejam superiores sua capacidade de resisti-los.

R t T iRetrao Trmica

So muitas as propriedades relacionadas retrao trmica, quais sejam (Tabela 2): Tabela 2 Principais propriedades do concreto relacionadas com a retrao trmica.

Propriedades Descrio Observaes

Trmicas

Calor especfico, condutividadetrmica, difusividade trmicas,coeficiente de deformao trmica,

l di bti

Maiores detalhes das propriedades trmicas podem serobtidos em Calmon (1995), Furnas (1997) e ACI 207-2R (2007).

elevao adiabtica.

Mecnicas

Resistncias compresso etrao.

A resistncia trao pode ser obtida por meio devrios ensaios, para determinar o risco de fissuraotrmica. Maiores detalhes podem ser obtidos nocaptulo 20captulo 20.

Elsticas

Mdulo de elasticidade, coeficientede Poisson, capacidade dedeformao.

Capacidade de deformao a capacidade de oconcreto resistir a uma deformao linear especficasem que ocorra fissurao. Maiores detalhes podemser obtidos no captulo 21.

ViscoelsticasFluncia, retrao, relaxao. Maiores descries dessas propriedades podem ser

encontradas na NBR 6118 (ABNT, 2007), captulo 22 enos trabalhos de Santos (2004) e Botassi et. al. (2007).

Fsicas Massa especfica. ------


Fsicas Massa especfica.

R t T iRetrao Trmica Seguindo o modelo simplificado adotado por Gambale et al. (2003), para o clculo das tenses de origem trmica, considerando o comportamento viscoelstico linear com envelhecimento do concreto, na idade na idade tj:na idade na idade tj:

jijj f .1 (Equao 2) j vetor (n) de deformaes de origem trmica = .T = .(Ti-Tl);Sendo:

matriz (n, n) cujo elemento da linha j e da coluna i > j a fluncia do concreto na idade tj comnascimento na idade zi. De uma maneira mais simplificada, pode-se dizer que a matriz fij triangularcom a parte superior nula, cujas colunas so um ensaio de fluncia com nascimento em zi, onde adiagonal representa o incio do ensaio da fluncia, isto fi,i.= 1/E(zi).

.ijf

Considerando o princpio da superposio das tenses vlido, pode-se obter a tenso tn jn


em qualquer instante tn pela Equao 3. j1

(Equao 3)

R t T iRetrao Trmica Para o clculo das tenses so consideradas as seguintes condies de contorno:- rigidez das estruturas ou macios ao redor da estrutura

li d t d l d l d l ti id danalisada, representado pelo mdulo de elasticidade e coeficiente de Poisson do material;

condies de restrio e ternas s q ais est s jeita a- condies de restrio externas s quais est sujeita a estrutura;

solicitaes externas (deformaes e/ou tenses)- solicitaes externas (deformaes e/ou tenses). importante destacar que esse mtodo de predio das tenses no considera o efeito das deformaes/tenses do concreto ao redorno considera o efeito das deformaes/tenses do concreto ao redor do ponto analisado. Para casos de simulaes de tenses internas estrutura de concreto por meio do Mtodo dos Elementos Finitos, essa i fl i id d tili d i t t l t


influncia considerada utilizando a interconexo entre os elementos finitos, como apresentado na dissertao de Botassi (2004).

R t T iRetrao TrmicaA restrio, conforme comentado, pode ter origem interna ou externa, e ela a responsvel pelo acmulo tensional, uma vez que as deformaes impedidas se transformam em esforos. R t i I t Restrio Interna:O principal mecanismo de restrio interna se deve ao prprio processo de propagao de p p p p p g propagao de calor no homogneo em estruturas de concreto (Figura 5). A no homogeneidade mais significativa parahomogeneidade mais significativa para estruturas massivas.

Figura 5 Restrio interna decorrente da propagao de calor.

Restrio Externa:O prprio formato e a forma de contato com o entorno da estrutura podem gerar restries suficientes para acumular tenses prejudiciais


suficientes para acumular tenses prejudiciais ao concreto (Figura 6).

Figura 6 Restrio externa.

R t T iRetrao TrmicaAlguns fatores que influenciam a retrao trmica: Condies climticas (vento, radiao solar, etc.); Variaes sazonais da temperatura ambiente; Temperaturas de lanamento e de estabilizao do concreto;Consumo de material aglomerante (cimento+adies); gua empregada (natural, gelada ou na forma de gelo em escamas); Propriedades do concreto endurecido; Dimenses e forma da estrutura;Tipos e tempo de permanncia das formas; Altura e intervalos de lanamento de camadas;


Tipo e tempo de cura; etc.

Fi FissuraoA principal manifestao patolgica relacionada com a retrao trmica a fissurao do concreto, seja em escala macroscpica (observvel a olho nu), conforme apresentado na(observvel a olho nu), conforme apresentado na Figura 7, ou microscpica (microfissuras na matriz cimentcia).

As fissuras de retrao trmica se interceptam segundo ngulos aproximadamente retos, com profundidade que pode g p , p q pser elevada (100 vezes a profundidade da fissura de retrao hidrulica), chegando a seccionar toda a estrutura. Sua propagao relativamente rpida e, aps 28 dias, sua abertura pode chegar a dcimos de milmetro, sua profundidade a dezenas de centmetros e o espaamento entre as fissuras


a dezenas de centmetros e o espaamento entre as fissuras da ordem de metros.

A li d J tAnlise de JuntasA junta tem o papel principal de aliviar as tenses internas acumuladas na estrutura decorrentes das deformaes impedidas pelas restries internas e externas, permitindo que haja uma vlvula de escape para que essas deformaeshaja uma vlvula de escape para que essas deformaes ocorram em uma zona livre de restrio.O espaamento e espessura das juntas so calculados emO espaamento e espessura das juntas so calculados em funo das propriedades do concreto, o formato da estrutura e condies ambientais propulsoras das deformaes.condies ambientais propulsoras das deformaes.

Uma compilao de vrios espaamentos propostos por diversos autores apontam para valores variando de 30m a 45mdiversos autores apontam para valores variando de 30m a 45m, muito embora o ACI 224.3R (1995) apresenta valores em torno de 60m a 90m dependendo da oscilao trmica.


p

A li d J tAnlise de JuntasH tambm as juntas construtivas dimensionadas para reduzir as tenses internas que possam resultar em impedimentos a qualquer tipo de movimentao da estrutura, principalmente em decorrncia de retrao ou reduo da temperaturadecorrncia de retrao ou reduo da temperatura.

Conforme especifica a NBR 6118 (ABNT,2007) para t t t i l j t d testruturas em concreto simples as juntas de concretagem

devem ser previstas pelo menos a cada 15 m. No caso de ser necessrio afastamento maior devem ser considerados nonecessrio afastamento maior, devem ser considerados no clculo os efeitos da retrao decorrentes de vrias origens (trmica e hidrulica).( )


Medidas Preventivas e Corretivas da R t T iRetrao Trmica

Escolher cimento com baixo calor de hidratao e com finura adequada; uso de materiais pozolnicos que objetivem reduzir o calor de hidratao; uso de agregados adequados, que

lt d tresultem em dosagens com menor consumo e em concretos com menor mdulo de elasticidade;

Para grandes estruturas, escolher concretos mais adequados, como o CCR em substituio ao concreto massa convencional;

Uso de aditivos redutores de gua deve ser considerado tambm para reduzir o consumo de cimento;tambm para reduzir o consumo de cimento;



Realizao de estudos de dosagens bem fundamentados e de Realizao de estudos de dosagens bem fundamentados e de caracterizao das propriedades dos concretos a serem aplicados, de modo que possam subsidiar anlises trmicas das p , q pestruturas, aes que indicaro a necessidade de medidas preventivas adicionais como a pr-refrigerao ou a ps-refrigerao do concreto;

Zoneamento do concreto massa nas estruturas, de modo que se priorize o uso de concretos com menores consumos de cimento, seja pela adoo de idades de controle mais avanadas como 90 dias 180 dias e at um ano compatveis com as idadescomo 90 dias, 180 dias e at um ano, compatveis com as idades de carregamento das estruturas, seja com relao real solicitao para aquela determinada regio;


solicitao para aquela determinada regio;


Estudar alturas de camadas de concretagem mximas gpossveis de serem lanadas, principalmente aquelas prximas fundao, onde maior a restrio, assim como os intervalos e t t d l t d d t h i i i dtemperaturas de lanamento, de modo que se tenha minimizada a elevao da temperatura no interior do concreto;

Lanamento do concreto no perodo noturno ou em pocas mais favorveis, em que no s a temperatura ambiente, mas

b d i i i b itambm a temperatura dos materiais mais baixa;

Estudo de juntas de contrao ou de dilatao adequadas para j q pas estruturas de concreto de modo que estas possam absorver as deformaes de origem trmica; etc.


concreto comportamento termico

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