tcc_estruturas de concreto armado deterioradas por incêndio

UNIVERSIDADE BANDEIRANTE DE SO PAULO

Campus ABC

Curso de Engenharia Civil

Fabiano Gil de Souza Luiz Coutinho Cairolli

Luiza Elisabete Cabral de Oliveira Michele SantAnna

Paulo Henrique Camargo Zanelato

Estruturas de Concreto Armado Deterioradas por Incndio

So Bernardo do Campo 2012

Fabiano Gil de Souza Luiz Coutinho Cairolli

Luiza Elisabete Cabral de Oliveira Michele SantAnna

Paulo Henrique Camargo Zanelato

Estruturas de Concreto Armado Deterioradas por Incndio

Monografia apresentada, como exigncia parcial para a obteno do

grau de Bacharel em Engenharia Civil,

na Universidade Bandeirante de So Paulo, sob a orientao do Prof. Ms.

BENEDITO CARLOS DE OLIVEIRA

JUNIOR.

So Bernardo do Campo

2012

Ttulo da Monografia

Trabalho de Concluso de Curso apresentado como exigncia parcial para a obteno do grau de Bacharel em Engenharia Civil da Universidade

Bandeirante de So Paulo.

Aprovado em 11 de dezembro de 2012.

________________________________

Prof. Ms. BENEDITO CARLOS DE OLIVEIRA JUNIOR

Universidade Bandeirante de So Paulo

Orientador

________________________________

________________________________

So Bernardo do Campo 2012

Este trabalho dedicado a todos aqueles que

colaboraram e se esforaram nos dando ensinamentos, estmulo e apoio para que

chegssemos at aqui e compreenderam que

seus esforos sempre so recompensados.

iv

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus por termos alcanado mais esta etapa

de nossas vidas.

Aos pais e filhos, por seu amor e carinho incondicional.

Aos maridos ou esposas que sempre estiveram ao nosso lado, nos apoiando e

nos incentivando para que chegssemos at aqui.

Ao Professor Benedito, nosso orientador, pela pacincia e colaborao na realizao deste trabalho.

Aos professores, pela dedicao e conhecimentos passados a ns.

Aos amigos, pelo apoio e compreenso.

A todos aqueles que, direta ou indiretamente contriburam, para a realizao

deste trabalho.

v

Existem verdades que s podemos dizer depois de ter conquistado o direito de diz-las.

Jean Cocteau

vi

RESUMO

SOUZA, Fabiano Gil de; CAIROLLI, Luiz Coutinho; OLIVEIRA, Luiza

Elisabete Cabral de; SANTANNA, Michele; ZANELATO, Paulo Henrique

Camargo. Estruturas de Concreto Armado Deterioradas por Incndio.

So Paulo, 2012. 90 f. Trabalho de Concluso de Curso (Bacharel em Engenharia Civil) Universidade Bandeirante de So Paulo, Campus ABC,

So Bernardo do Campo, 2012.

Os efeitos do fogo sobre as estruturas de concreto armado tm relao direta com seus elementos constituintes tais como relao gua-cimento e aditivos

utilizados, idade da estrutura, tamanho e tipo dos agregados e tambm o

cobrimento da armadura e, de maneira geral, se apresentam sob a forma da perda de resistncia compresso e do lascamento (spalling), fenmeno que

gera a ejeo forada de material a partir da superfcie do elemento.

Apesar das estruturas de concreto ser reconhecidas pela boa resistncia ao fogo em virtude das caractersticas trmicas do material, tais como sua

natureza de incombustibilidade e capacidade de funcionar como uma

barreira trmica que evita a propagao de calor e fogo; quando o concreto

armado sofre aes provindas de um incndio, a aparente inalterao de sua estrutura pode esconder danos severos tanto ao concreto quanto ao ao,

permitindo que essa estrutura colapse.

Portanto este trabalho tem por objetivo descrever as aes trmicas decorrentes de incndio, a influncia da alta temperatura nas propriedades

do ao e do concreto, visando verificar se houve reduo das caractersticas

mecnicas (resistncia, caracterstica e mdulo de elasticidade) do ao e do prprio concreto, bem como os meios de avaliao das estruturas aps o

incndio e as respectivas tcnicas de reparos nas estruturas.

Palavras-chave: recuperao de estruturas, concreto armado, incndio.

vii

ABSTRACT

SOUZA, Fabiano Gil de; CAIROLLI, Luiz Coutinho; OLIVEIRA, Luiza

Elisabete Cabral de; SANTANNA, Michele; ZANELATO, Paulo Henrique

Camargo. Concrete Structures Deteriorated by Fire. So Paulo, 2012.

90p. Work of Course Completion (Bachelor of Civil Engineering) - Bandeirante University of So Paulo, Campus ABC, So Bernardo do Campo,

2012.

The effects of fire on reinforced concrete structures have a direct relationship with its constituents such as water-cement ratio and additives used, age of

the structure, size and type of aggregates and also the overlay of the steel

reinforcement and, in general, are presented in the form of loss of compressive strength and spalling, a phenomenon that generates the forcible

ejection of material from the surface of the element.

Despite the concrete structures be recognized by good fire resistance because of the thermal characteristics of the material such as non-

combustible nature and ability to function as a thermal barrier, preventing

heat and fire spread, when the concrete suffers a fire attack the apparently

unaltered structure can hide severe damage to both concrete and steel, allowing this structure to collapse.

Therefore this paper aims to describe the thermal actions due to fire, the

influence of high temperature on the properties of steel and concrete, to verify whether there was a reduction of the mechanical characteristic

(characteristic strength and elastic modulus) of steel and concrete itself, as

well as the methods of structure evaluation after the fire and also structural repair.

Key-words: recovery of structures, concrete, fire.

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Fatores que influenciam a gravidade do incndio (Fonte: COSTA, 2008). ... 18

Figura 2 Estgios e meios de proteo ativa de um incndio real (Fonte: Adaptado de COSTA, 2008). ........................................................................................ 20

Figura 3 Curva de incndio-padro ISO 834 (Fonte: ISO, 1990). .......................... 22

Figura 4 Curva temperatura-tempo ASTM E-119 (Fonte: ASTM, 2000). ................. 23

Figura 5 Curva temperatura-tempo de hidrocarbonetos (Fonte: EN 1991-1-2:2000). 24

Figura 6 Comparativo entre as curvas temperatura-tempo ISO 834, ASTM E-119 e H (Fonte: Costa, 2008). ................................................................................ 25

Figura 7 Comparativo entre as curvas temperatura-tempo ISO 834, curva de incndio externo (Fonte: EN 1991-1-2:2002). ............................................................. 26

Figura 8 Comparativo entre a curva de incndio-padro ISO 834 e as curvas paramtricas de incndio (EN 1991-1-2:2004) para diversas reas de ventilao (Av) (Fonte: EN 1991-1-2:2004). ........................................................................ 27

Figura 9 Conceito do Mtodo do Tempo Equivalente (Fonte: SILVA, 2004). ............ 31

Figura 10 - Reaes fsico-qumicas do concreto endurecido durante o aquecimento (Fonte: adaptado de FIB, 2007) ................................................................... 37

Figura 11 Calor especfico do concreto , em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004). ...................................................................................... 40

Figura 12 Massa especfica do concreto em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004). ................................................................................................ 41

Figura 13 Condutividade trmica do concreto em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004). ...................................................................................... 42

Figura 14 Parmetros de reduo da resistncia do concreto sob compresso em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004). .......................................... 44

Figura 15 Curvas tenso-deformao do concreto com agregados silicosos sob compresso, para diversas temperaturas (Fonte: EM 1992-1-2:2004). .................... 44

Figura 16 Curvas tenso-deformao do concreto com agregados calcrios sob compresso, para diversas temperaturas (Fonte: EM 1992-1-2:2004). .................... 45

Figura 17 Parmetro de reduo da resistncia trao do concreto em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004). ....................................................... 46

Figura 18 Comparao entre os parmetros de reduo da resistncia trao e compresso do concreto em funo da temperatura (Fonte: adaptado de EM 1992-1-2:2004). ................................................................................................ 47

Figura 19 Exemplo de LITS de um concreto com agregados de basalto, determinado como a diferena entre as deformaes trmicas entre concreto com 0% e 10% de sua tenso resistente aplicada (Fonte: adaptado de FIB, 2007). ................................ 48

Figura 20 Desenvolvimento da LITS em toro durante o aquecimento (Fonte: adaptado de FIB, 2007). ............................................................................ 50

Figura 21 Deformao trmica do concreto em funo da temperatura (Fonte: adaptado de EM 1992-1-2:2004). ................................................................. 51

ix

Figura 22 Mecanismo do spalling explosivo (Fonte: FIB,2007). ........................... 57

Figura 23 Exemplo de Spalling Explosivo ocorrido em pilar de alta resistncia fck = 83 MPa (Fonte: Kodur, 2005, de Britez, 2011). .................................................... 58

Figura 24 Curva tenso-deformao de aos laminados a quente de alta ductilidade (CA 25/50) em funo da temperatura (Fonte: EN 1992-1-2:2004). ....................... 66

Figura 25 Martelo de Schmidt (Fonte: Proceq SAO Ltda., 2012). ......................... 70

Figura 26 Sensor Windsor (Fonte: Test Mark Industries, 2012). .......................... 71

Figura 27 Ensaio CAPO (Fonte: Germann Instruments, 2012). ............................ 72

Figura 28 Teste de fratura interna BRE (Fonte: Impact Test Equipament LTD., 2012). ........................................................................................................... 72

Figura 29 Instrumento para medir a velocidade do pulso ultrassnico (Fonte: Proceq SAO Ltda., 2012). .................................................................................... 73

Figura 30 (a) Delaminao e colorao rsea da superfcie do pilar sob ao do fogo. (b) Delaminao, rupturas e perda de seo do pilar causado pelo fogo intenso. (Fonte: Battista et al, 2001). ................................................................................ 80

Figura 31 Detalhe de um corpo de prova cilndrico extrado por carotagem. (Fonte: Battista et al, 2001). ................................................................................ 81

Figura 32 (a) Ruptura de pilar de concreto armado com seo circular causada pela intensa ao do fogo na estrutura hiperesttica. (b) Pilar de seo circular danificado pela ao de fogo intenso. Situao aps escoramento e limpeza. (Fonte: Battista et al, 2001). .................................................................................................. 84

Figura 33 Cisalhamento de pilar em decorrncia de incndio em um edifcio do Rio de Janeiro. (Fonte: Eng. Godart Sepeda). ........................................................... 85

Figura 34 Danos causados ao Viaduto Engenheiro Orlando Murgel em decorrncia do incndio na favela do Moinho. (Fonte: Rivaldo Gomes/Folhapress, 2012). ............... 85

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Temperatura-tempo dos gases conforme ASTM E-119 (Fonte: ASTM, 2000). 23

Tabela 2 Caractersticas que influenciam na ocorrncia dos diferentes tipos de spalling (Fonte: traduzido de FIB, 2007). ....................................................... 53

Tabela 3 Efeito das altas temperaturas dos materiais normalmente encontrados em edifcios (Fonte: FIB, 2008) ........................................................................ 79

Tabela 4 Fatores de danos para as estruturas de concreto (Fonte: FIB, 2008) ........ 82

Tabela 5 Classes de danos causados pelo incndio nas estruturas de concreto (Fonte: FIB, 2008) .............................................................................................. 83

xi

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas e Tcnicas ASTM American Specification of Testing and Materials BFD Barnett Fire Design BRE Building Research Establishment CAPO Cut and pull-out CFD Computational Fluid Dynamics DTA Differential Thermal Analysis ELU Estado Limite ltimo ISO International Organization for Standardization IT Instruo Tcnica do Corpo de Bombeiros de So Paulo LITS Load Induced Thermal Strain MASW Multi-channel Analysis of Surface Waves MTE Mtodo do Tempo Equivalente NBR Norma Brasileira TCC Trabalho de Concluso de Curso TGA Thermo Gravimetric Analysis TMA Thermo Dilato-Metric Analysis TRF Tempo de Resistncia ao Fogo TRRF Tempo Requerido de Resistncia ao Fogo

xii

SUMRIO

AGRADECIMENTOS ..................................................................................... iv

RESUMO ................................................................................................. vi

ABSTRACT .............................................................................................. vii

LISTA DE FIGURAS .................................................................................... viii

LISTA DE TABELAS ...................................................................................... x

LISTA DE SIGLAS ....................................................................................... xi

Introduo ............................................................................................. 14

Captulo 1 Aes trmicas decorrentes de incndio ......................................... 17

1.1 Curva de incndio real ..................................................................... 19 1.2 Curvas de incndios idealizados .......................................................... 21 1.3 Curvas de incndio natural ................................................................ 26 1.4 Tempo requerido de resistncia ao fogo (TRRF) ....................................... 29

1.4.1 Mtodos utilizados para determinar o TRRF ......................................... 30 1.5 Aes e segurana nas estruturas ........................................................ 32

Captulo 2 Influncia da alta temperatura nas propriedades dos materiais ............. 35

2.1 Concreto ..................................................................................... 35 2.1.1 Calor especfico .......................................................................... 39 2.1.2 Massa Especfica ......................................................................... 40 2.1.3 Condutividade Trmica ................................................................. 41 2.1.4 Curva tenso-deformao .............................................................. 43 2.1.5 Resistncia trao ..................................................................... 45 2.1.6 Deformao linear especfica .......................................................... 47 2.1.7 Spalling (Lascamentos) ................................................................. 51 2.1.8 Fissurao ................................................................................ 61

2.2 Ao ............................................................................................ 61 2.2.1 Massa especfica ......................................................................... 62 2.2.2 Calor especfico .......................................................................... 62 2.2.3 Condutividade trmica.................................................................. 63 2.2.4 Alongamento trmico ................................................................... 63 2.2.5 Resistncia trao ..................................................................... 63 2.2.6 Mdulo de elasticidade ................................................................. 64 2.2.7 Relao tenso-deformao ........................................................... 65

Captulo 3 Avaliao das estruturas aps o incndio ........................................ 67

3.1 Ao ............................................................................................ 67 3.2 Concreto ..................................................................................... 68 3.3 Ensaios no destrutivos .................................................................... 69

Captulo 4 Reparos nas estruturas aps o incndio .......................................... 78

4.1 Coleta de dados ............................................................................. 78

xiii

4.2 Anlise dos danos ........................................................................... 79 4.3 Diagnsticos ................................................................................. 81 4.4 Classificao dos danos .................................................................... 82 4.5 Mtodos de reparao ..................................................................... 83

Captulo 5 Consideraes Finais ................................................................. 86

Referncias ............................................................................................ 88

14

Introduo

O principal objetivo da segurana contra incndio em edificaes

proteger a vida humana, o objetivo secundrio a proteo ao patrimnio, mas

algumas vezes esta tem sido requerida, pois os danos estruturais resultantes do

sinistro podem causar grandes prejuzos econmicos.

Os incndios podem ocorrer a qualquer tempo e lugar, ou seja, em

qualquer poca de vida da edificao. Desta forma, o fogo em edificaes deve

ser prevenido e combatido, pois pode iniciar de diversas formas.

A intensidade do fogo em casos de incndio depende de alguns fatores,

como da quantidade do material combustvel, da dimenso do ambiente e da

taxa de ventilao. Tais fatores fazem dos incndios fenmenos no uniformes e

desse modo, pode ocorrer situaes que ao longo da estrutura de concreto

algumas regies sero mais afetadas pelo fogo que outras e s vezes nem serem

atingidas, desta forma, a degradao do concreto no ocorrer de forma

homognea (LIMA, 2005).

O aquecimento do concreto provoca diferentes processos fsicos e

reaes qumicas que dependem da permeabilidade, da composio do material,

da taxa de aquecimento, do carregamento a que submetido, do tamanho da

pea exposta e das condies de ensaio (MEHTA e MONTEIRO, 2008). O

aumento da temperatura provoca a perda de umidade, desidratao e

transformaes cristalinas, estas reaes provocam mudanas na micro e na

macroestrutura do concreto. A princpio o concreto apresenta bom desempenho

quando submetido ao fogo, sabe-se, porm que as elevadas temperaturas

provocam alteraes em suas propriedades, que podem levar as estruturas ao

colapso (MEHTA e MONTEIRO, 2008).

Em princpio, necessrio que se garanta a segurana estrutural da

edificao sinistrada, para salvaguardar as vidas dos usurios e auxiliar na

15

preservao patrimonial. Portanto, adotar todas as medidas cabveis para que se

evite o colapso da edificao, plenamente justificvel, o que permite a

desocupao do ambiente em chamas e extino do fogo, para que aps, possa

ento executar os trabalhos de reforos para a sua reutilizao.

O concreto presente nos pilares, nas vigas e nas lajes quase sempre

empregado tanto para conferir capacidade portante aos elementos, como para

funcionar como barreira trmica. No primeiro caso, sua funo garantir que,

durante um incndio, a edificao no entre em colapso e mantenha sua

capacidade portante. No segundo, garantir a integridade dos elementos,

impedindo a penetrao das chamas e dos gases quentes a outros

compartimentos, bem como mantendo o isolamento trmico dos elementos.

Para situao normal de uso, o projeto de estruturas de concreto tem

sido amplamente discutido e pesquisado, tal que as relaes tericas e

empricas de dimensionamento e os critrios de desempenho so relativamente

bem dominados pelos profissionais de Engenharia Civil.

No Brasil, os estudos e pesquisas de estruturas de concreto armado em

situao de incndio so relativamente recentes e pouco difundidos, pois as

normas NBR 14323:1999 Dimensionamento de estruturas de ao de edifcios

em situao de incndio Procedimento, NBR 14432:2001 Exigncias de

resistncia ao fogo de elementos construtivos de edificaes Procedimento e

NBR 15200:2012 Projeto de estruturas de concreto em situao de incndio,

e diversas Instrues Tcnicas do Corpo de Bombeiros do Estado de So Paulo

apresentam conceitos e diretrizes de clculo, baseados em normas

internacionais, adaptados s condies nacionais.

Em face aos recentes estudos e reviso da NBR 15200, este trabalho

se prope a abordar os danos que as altas temperaturas provocadas por

incndio causam nas estruturas de concreto, a fim de recupera-las e traze-las

de volta ao seu estado original e ao fim a que se destina. O texto est

estruturado em quatro captulos, a saber. O primeiro captulo discorre sobre as

aes trmicas decorrentes de incndio, no qual so apresentas as formas de

transferncia de calor em situao de incndio para as estruturas, sobre os

principais modelos matemticos representativos do incndio na Engenharia e

aborda o tempo requerido de resistncia ao fogo dos elementos estruturais. O

segundo captulo trata da influncia da alta temperatura nas propriedades dos

16

materiais, descreve o comportamento das propriedades trmicas e mecnicas

dos materiais estruturais, concreto e ao, em funo da temperatura elevada e

sua implicao na avaliao da resistncia ao fogo segundo os critrios de

isolamento e estabilidade estrutural. O terceiro captulo faz uma abordagem

sobre a avaliao das estruturas aps o incndio, em especial sobre a

resistncia residual do ao e do concreto, abordando os diversos ensaios

utilizados para a avaliao do dano s estruturas. J o quarto captulo discorre

sobre as medidas necessrias para a tomada de deciso quanto ao reparo das

estruturas aps o incndio, abordando a coleta de dados sobre o incndio, a

anlise e classificao dos danos e a identificao e seleo dos mtodos de

reparo apropriados. O ltimo captulo apresenta as concluses finais

procedentes das anlises trmicas e estruturais estudas para atender aos

objetivos desta monografia.

17

Captulo 1 Aes trmicas decorrentes de incndio

A ao trmica excepcional e ocorre por ocasio de incndio e deve ser

considerada no projeto estrutural. Neste caso, a ao trmica se apresenta pela

soma dos fluxos de calor por radiao e por conveco nos elementos

estruturais (SILVA, 2004).

Em um cenrio de incndio, a transferncia de calor da atmosfera

quente para um elemento estrutural ou de compartimentao se d por

conveco, radiao e conduo. Estas trs formas de transferncia de calor

esto presentes em qualquer incndio, mas cada uma delas predominante em

cada estgio do aquecimento ou em cada local do compartimento.

A radiao emitida como consequncia da difuso das chamas, na

maioria dos incndios.

O fluxo de calor por radiao gerado pela diferena de temperatura

entre as chamas e a superfcie dos elementos estruturais e de

compartimentao. Neste caso, o calor se transfere de um corpo sob alta

temperatura a outro sob baixa temperatura.

O fluxo de calor por conveco gerado pela diferena de densidade

entre os gases do ambiente em chamas, que so quentes, menos densos e

tendem a ocupar ambientes superiores, com os de outros locais, que so frios,

mais densos e tendem a ocupar ambientes inferiores.

Portanto, conveco a forma de transferncia de calor por meio da

movimentao dos gases em uma temperatura no uniforme.

O aquecimento dos elementos estruturais tem como efeito a ao

trmica e o calor gerado pelo aquecimento transferido estrutura.

18

Na estrutura, o calor conduzido de uma molcula para outra. A

conduo determina a velocidade do fluxo de calor dentro do material. No

concreto, o calor se propaga, elevando a temperatura gradualmente ao longo da

seo do elemento e originando elevados gradientes trmicos. No ao, o calor se

propaga mais rpido e a temperatura elevada tende a se uniformizar ao longo da

pequena seo das barras das armaduras.

Nas estruturas, a determinao da ao trmica pode ser facilitada pelas

diferentes representaes dos efeitos do calor sobre a estrutura idealizada

atravs de modelos matemticos, os quais descrevem a variao da temperatura

dos gases quentes em funo do tempo do sinistro, desta forma, pretende-se

reproduzir a severidade de um cenrio de incndio (SILVA, 2004).

O ambiente incendiado influenciado pela carga de incndio, que

caracterizada pelo material combustvel presente no ambiente; pela geometria

do compartimento, que limitam a propagao do fogo a outros compartimentos;

pela ventilao, caracterizada pelas aberturas (portas e janelas); e pelas

propriedades trmicas dos materiais que compe os elementos de

compartimentao (paredes, pisos, recuos, etc.), pois influenciam na gravidade

do sinistro, uma vez que possuem a funo de evitar a propagao do fogo aos

ambientes adjacentes (COSTA et al., 2005a), conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1 Fatores que influenciam a gravidade do incndio (Fonte: COSTA, 2008).

A avaliao da resistncia ao fogo de estruturas normalmente feita

atravs da utilizao de uma curva que relaciona o tempo temperatura mdia

dos gases no compartimento.

19

Para a determinao dessas curvas so utilizados os seguintes

parmetros:

Taxa de aquecimento influencia no desenvolvimento de gradientes de

temperatura, de umidade e de presso nos poros do concreto.

Temperatura mxima do incndio influencia as reaes fsico-qumicas nos

materiais, que alteram as propriedades termomecnicas dos mesmos.

Durao do incndio influencia no aumento das temperaturas na estrutura

ao longo do tempo.

Fase de resfriamento os diferentes impactos nos materiais e na distribuio

de temperaturas so gerados pelo resfriamento natural ou resfriamento com

uso de gua.

1.1 Curva de incndio real

Em um incndio real a curva temperatura-tempo possui dois ramos: o

ascendente e o descendente. O primeiro representa a elevao de temperatura e

o segundo o resfriamento.

A elevao e a queda da temperatura de um incndio podem ser

divididas em estgios, definidos pelos pontos flashover e temperatura mxima,

que variam de incndio para incndio.

A curva de incndio real (Figura 2) apresenta as regies a seguir:

ignio, que o incio da inflamao, estgio de aquecimento, com crescimento

gradual de temperatura, praticamente no influencia nas caractersticas do

compartimento e no apresenta risco de colapso estrutural; pr-flashover, que

caracterizado pelo aumento da temperatura de forma mais acentuada, estgio

de aquecimento, perodo em que o incndio ainda localizado, sua durao

depender das caractersticas do local e ir at o possvel flashover; flashover

tem como caracterstica ser um perodo muito curto, o instante em que todo o

ambiente se incendeia, deixando de ser controlvel pelos meios de proteo

ativa; ps-flashover, nesta regio o crescimento da temperatura acelerado de

forma substancial e todo o material combustvel do local entra em combusto,

caracterizada pelas temperaturas dos gases quentes superiores a 300 C e

perdura at atingir a temperatura mxima do incndio, que corresponde

mxima temperatura dos gases do ambiente; resfriamento, nesta regio ocorre a

20

reduo gradativa da temperatura dos gases do local, geralmente ocorre aps a

completa extino do material combustvel (SILVA, 2004).

Figura 2 Estgios e meios de proteo ativa de um incndio real (Fonte: Adaptado de COSTA, 2008).

Segundo SILVA (2004), de suma importncia ter-se meios de proteo

ativa no combate ao incndio antes do flashover, pois se os meios de proteo

ativa forem suficientes, o incndio poder ser controlado e at suprimido, sem

gerar danos segurana estrutural, o que torna, nesse caso, desnecessria a

verificao da estrutura edificada.

Em situao de incndio, os meios de proteo ativa precisam ser

acionados de forma manual ou automtica para que funcionem. Eles so

constitudos por equipamentos e sistemas, com o objetivo de detectar com

rapidez o incndio, alertar os usurios da edificao para a desocupao e as

aes de combate com segurana. Existem diversos meios de proteo ativa,

como por exemplo: sistema de alarme manual de incndio (botoeiras), meios de

deteco e alarme automticos de incndio (detectores de fumaa, temperatura,

raios infravermelhos, etc.), extintores, hidrantes, chuveiros automticos

(sprinklers), sistema de iluminao de emergncia, sistemas de controle,

exausto da fumaa, etc. Estes meios de proteo ativa efetivos no combate ao

incndio quanto acionados no incio do sinistro.

Os meios de proteo passiva contra incndio so integrados

construo da edificao e no necessitam de acionamento para o seu

21

funcionamento, como exemplo tem-se os afastamentos entre as edificaes, as

rotas de fuga, a compartimentao, a definio de materiais de acabamento,

revestimento adequados, etc. Estes meios so efetivos aps o flashover, quando

o incndio passa a ser controlado pela carga de incndio, at a sua completa

queima.

A proteo passiva garante as aes de resgate e combate ao incndio

atravs da resistncia estrutural, permitindo o acesso ao local do sinistro ou o

confinamento do incndio, evitando a propagao s edificaes vizinhas.

1.2 Curvas de incndios idealizados

Ao se estudar uma estrutura sinistrada, deve-se considerar a existncia

de diferentes temperaturas dos gases no ambiente em chamas e a dos

componentes da estrutura. Quase sempre mais fcil medir do que estimar as

temperaturas do ambiente.

A curva temperatura-tempo de incndios naturais varia a cada situao,

o que dificulta seu estabelecimento, pois depende da carga de incndio, das

condies de ventilao e das caractersticas trmicas dos materiais de vedao.

Por causa dessa dificuldade, adotam-se curvas padronizadas, conhecidas como

curvas de incndio-padro.

As curvas de incndio-padro no levam em conta as caractersticas

particulares de cada ambiente e possuem apenas o ramo ascendente, pois

consideram que a temperatura dos gases sempre crescente com o tempo,

independente da quantidade de material combustvel. Estas curvas no

representam um incndio real, elas foram adotadas como modelo em anlises

experimentais, realizadas em fornos de institutos de pesquisa.

Atravs da anlise da curva de incndio-padro, que fornece a

temperatura dos gases em relao ao tempo de incndio, pode-se calcular a

temperatura mxima atingida pelos componentes da edificao e estimar a

correspondente resistncia a estas temperaturas.

A aplicao destas curvas deve ser feita com cuidado, pois no

correspondem ao comportamento real do incndio ou das estruturas expostas

ao fogo, pois no consideraram os importantes efeitos do resfriamento. Estas

curvas no permitem determinar a temperatura mxima atingida pela

22

estrutura, o que exige o pr-estabelecimento de tempos padronizados em funo

das dimenses e do tipo de utilizao da edificao, para que se possa encontrar

na curva temperatura-tempo do elemento uma temperatura que permita o seu

dimensionamento (SILVA, 2001).

Ainda segundo SILVA (2001), as curvas padronizadas mais utilizadas

para simular incndios e avaliar a resistncia ao fogo de estruturas so a ISO

834 e a ASTM E-119.

Atravs da norma ISO 834, a International Organization for

Standardization descreve que a elevao da temperatura mdia dos gases do

compartimento em funo do tempo aplicvel a incndios com base em

materiais celulsicos de acordo com a equao 1, que representada pela curva

temperatura-tempo conforme figura 3.

= 0 + 345 . 10 (8 + 1) (1)

Onde:

g = temperatura dos gases (C) no instante t;

0 = temperatura do ambiente (C) antes do inicio do aquecimento;

t = tempo (min)

Figura 3 Curva de incndio-padro ISO 834 (Fonte: ISO, 1990).

23

A tabela 1 descreve a temperatura dos gases em funo do tempo,

conforme dispe a American Specification of Testing and Materials, nos Estados

Unidos da Amrica, atravs da norma ASTM E-119, que adota uma curva

baseada nessa tabela, representada na figura 4 cujos valores se aproximam

muito dos encontrados pela curva ISO 834.

Tabela 1 Temperatura-tempo dos gases conforme ASTM E-119 (Fonte: ASTM, 2000).

Figura 4 Curva temperatura-tempo ASTM E-119 (Fonte: ASTM, 2000).

Os ensaios padronizados permitem que se faa uma anlise comparativa

de resistncia ao fogo entre elementos similares, a qual serve como indicador

qualitativo de resistncia em funo da severidade do aquecimento.

As normas brasileiras a seguir recomendam o uso da curva-padro da

norma ISO 834 para determinar a resistncia ao fogo de elementos construtivos

e para os mtodos prescritivos de dimensionamento de estruturas:

24

NBR 5628:2001 Componentes construtivos estruturais - Determinao da

resistncia ao fogo;

NBR 14432:2001 Exigncias de resistncia ao fogo de elementos

construtivos de edificaes Procedimento;

NBR 14323:1999 Dimensionamento de estruturas de ao de edifcios em

situao de incndio Procedimento; e

NBR 15200:2012 Projeto de estruturas de concreto em situao de

incndio.

Existem outras curvas conhecidas internacionalmente, que so

eficientes para determinados fins, como a curva H e a curva de incndio

externo.

A curva H foi desenvolvida para projetos de segurana contra incndio

de indstrias petroqumicas e offshore. Atualmente ela tem sido recomendada

para projeto de tneis e outras vias de transporte de veculos movidos a

combustveis inflamveis.

A principal caracterstica desta curva o aumento mais acentuado da

temperatura, se comparado s outras curvas. A figura 5 representa

graficamente a curva de incndio-padro de hidrocarbonetos (EN 1991-1-

2:2004).

Figura 5 Curva temperatura-tempo de hidrocarbonetos (Fonte: EN 1991-1-2:2000).

25

A figura 6 representa um comparativo entre as trs curvas de incndio-

padro j apresentadas.

Figura 6 Comparativo entre as curvas temperatura-tempo ISO 834, ASTM E-119 e H (Fonte: Costa, 2008).

A curva de incndio externo (external fire curve - EM 1991-1-2)

exclusiva para o projeto de segurana contra incndio de elementos construtivos

externos ao compartimento de incndio, que esto sujeitos ao ataque das

chamas. Ela apropriada para o projeto de elementos de fachada dos edifcios,

pois as chamas podem propagar-se para as aberturas constituintes dos

pavimentos e atingir os elementos externos da compartimentao, tais como:

paredes, marquises e parapeitos, objetivando as paredes externas com funo

de compartimentao ou isolamento de risco.

Segundo COSTA & SILVA (2006) as marquises e paredes estruturais

possuem dupla funo, a de compartimentar e a de manter a estabilidade

estrutural e, portanto, elas devem atender exigncia ao fogo mais rigorosa

entre ambas as funes definidas, respectivamente, pela NBR 14432:2001

(elementos construtivos) e pela NBR 14323:1999 (elementos estruturais de ao)

ou NBR 15200:2012 (elementos estruturais de concreto).

Para o uso da curva de incndio externo (Figura 7), so consideradas

duas hipteses no cenrio do sinistro: que a carga de incndio do

compartimento seja constituda de materiais celulsicos e que a temperatura da

atmosfera externa seja inferior de dentro do compartimento.

26

Figura 7 Comparativo entre as curvas temperatura-tempo ISO 834, curva de incndio externo (Fonte: EN 1991-1-2:2002).

1.3 Curvas de incndio natural

As curvas naturais so aquelas influenciadas por fatores que

caracterizam o cenrio do incndio (ex. carga de incndio) e por parmetros que

influenciam o desenvolvimento de um incndio em um compartimento (ex.

fatores de abertura), elas podem ser aplicadas aos modelos simplificados e aos

avanados de incndio.

Atravs das curvas naturais pode-se prever de forma mais precisa o

comportamento de estruturas de concreto em caso de incndio, se comparado

ao uso de curvas padronizadas de incndio, diferentemente destas elas possuem

ramo ascendente e ramo descendente.

Os modelos simplificados so prprios para a anlise termoestrutural ou

para o dimensionamento de elementos internos do compartimento, os quais

permitem assumir a possibilidade de ao trmica uniforme ou no uniforme.

Os modelos simplificados representam as curvas para o incndio

completamente desenvolvido (ps flashover), para incndios localizados dentro

do compartimento e para aquecimento devido s chamas que atravessam as

aberturas.

27

As curvas paramtricas de incndio do Eurocode 1 (EN 1991-1-2:2004)

so usadas para simular o incndio natural em rea compartimentada. As

curvas sugeridas so vlidas para compartimentos com rea do piso de at 500

m, sem aberturas no teto e com altura mxima do compartimento igual a 4 m.

Uma comparao qualitativa das curvas paramtricas de incndio com a curva

de incndio-padro ISO 834, segundo o Eurocode 1, podem ser representadas

conforme mostra a figura 8.

Figura 8 Comparativo entre a curva de incndio-padro ISO 834 e as curvas paramtricas de incndio (EN 1991-1-2:2004) para diversas reas de ventilao (Av) (Fonte: EN 1991-1-

2:2004).

Atravs de equaes, as curvas paramtricas de incndio consideram a

influncia das seguintes variveis: carga de incndio, taxa de crescimento do

incndio, grau de ventilao e propriedades trmicas dos elementos de

compartimentao.

Os modelos avanados simulam um incndio real de forma completa,

desde a ignio localizada at desenvolvimento completo do incndio,

compreendendo o pr-flashover, flashover, ps-flashover e resfriamento.

Estes modelos consideram as propriedades dos gases quentes, as trocas

de massa e a energia liberada pela combusto atravs de modelagem numrica

aplicada aos fenmenos da termodinmica e da transferncia de calor.

28

Os modelos de campo so os mais avanados disponveis atualmente

para simulao de incndios, eles modelam o incndio como um fluido, por

isso, eles so conhecidos por curvas CFD (computational fluid dynamics).

Esses modelos resolvem, para uma diversidade de elementos, as

equaes de equilbrio de conservao de massa e de energia.

Devido dificuldade de manipulao dos simuladores de incndio e a

necessidade de conhecimentos especializados para analisar os resultados, estes

modelos dificilmente so utilizados para projetos, so mais utilizados para fins

de pesquisa.

Os modelos de zonas dividem o compartimento em uma ou mais regies

horizontais, considerando a temperatura dos gases quentes como constante em

cada uma das regies, sendo que para os modelos de mltiplas zonas esta

temperatura gradativa ao longo da altura do compartimento, a fim de

representar uma atmosfera prxima a de um incndio real.

Os modelos de uma zona representam o ps-flashover e, desta forma,

so vlidos para modelar um incndio completamente desenvolvido, pois

considera que a temperatura e a densidade dos gases quentes, a energia interna

e a presso do compartimento de incndio so uniformes.

Os modelos de duas zonas representam o pr-flashover, eles servem

para modelar o incndio desde a ignio, neste modelo o compartimento divido

em duas faixas horizontais. Enquanto que a faixa superior caracteriza o

acmulo de fumaa e pirlise1 no compartimento, a faixa inferior caracteriza o

fogo e a fuligem. Em cada uma dessas faixas a temperatura da atmosfera do

compartimento uniforme, sendo que na faixa superior ela maior. Este

modelo considera uma interface entre as faixas superior e inferior.

Existe tambm a curva BFD (Barnett Fire Design), que um modelo

emprico de incndio natural utilizado para caracterizar os estgios de um

incndio real, atravs de uma equao simples e nica modela os ramos

ascendente (aquecimento) e descendente (resfriamento).

1 Pirlise o processo ou a soma de processos qumicos da degradao trmica do material, a decomposio qumica do material devido ao do calor.

29

1.4 Tempo requerido de resistncia ao fogo (TRRF)

A ao trmica em situao de incndio no concreto armado provoca a

reduo das propriedades mecnicas e os esforos adicionais devido ao

impedimento das deformaes de natureza trmica, em estruturas isostticas e

hiperestticas.

A reduo da resistncia e do mdulo de elasticidade dos materiais em

funo da temperatura elevada obtida pela anlise estrutural atravs dos

fatores de reduo, os quais correlacionam o decrscimo das propriedades

mecnicas para cada nvel trmico.

de fundamental importncia conhecer a temperatura do elemento

estrutural para se estimar os valores das propriedades dos materiais para essa

temperatura.

A mxima temperatura no elemento pode ser obtida com a utilizao de

curvas naturais, quanto mais realista forem os modelos de incndio, melhor

ser a determinao da temperatura mxima do elemento e o seu

dimensionamento para esta temperatura, o que assegura uma resistncia ao

fogo adequada durante a vida til da estrutura.

A temperatura crtica a que causa o colapso de um elemento estrutural

em situao de incndio, a temperatura da estrutura a partir da qual sua

runa iminente, portanto deve-se evitar que a temperatura crtica (temperatura

de colapso) seja atingida, a fim de garantir a segurana estrutural em situao

de incndio.

O tempo requerido de resistncia ao fogo (TRRF) um tempo fictcio, um

tempo em que ocorre a temperatura mxima. Ele definido por consenso da

sociedade e do meio tcnico e estabelecido nas normas tcnicas, tendo como

funo a padronizao da ao trmica a ser utilizada no dimensionamento das

estruturas em situao de incndio, quando submetidas ao incndio-padro

(SILVA, 2004).

A NBR 14432:2001 define o TRRF como sendo o tempo mnimo de

resistncia ao fogo de um elemento construtivo quando sujeito ao incndio-

padro. Desta forma, o TRRF estabelecido em funo do desempenho

estrutural avaliado em ensaios experimentais de elementos isolados.

30

O TRRF no significa a durao do incndio ou o tempo de chegada do

corpo de bombeiros ou o tempo de evacuao dos ocupantes da edificao, e

sim que a estrutura resistir a um incndio cuja severidade corresponde a um

determinado tempo, em minutos, segundo a curva de incndio-padro, desta

forma, o TRRF padronizado em funo do risco de incndio e de suas

consequncias, em 30, 60, 90 e 120 min.

O tempo mximo que o elemento construtivo pode manter a sua funo

segundo os critrios de resistncia ao fogo e manter a estabilidade estrutural

denominado de TRF (tempo de resistncia ao fogo).

O TRF determinado quando o valor dos esforos atuantes calculados,

com base na combinao de aes excepcionais para a situao de incndio,

igual ao valor dos esforos resistentes calculados, com base nos coeficientes de

ponderao prprios da situao excepcional e nos fatores de reduo de

resistncia em funo da temperatura elevada, desta forma, a segurana contra

incndio satisfatria quando TRF TRRF.

1.4.1 Mtodos utilizados para determinar o TRRF

A norma NBR 14432:2001 apresenta um mtodo tabular para

determinar o TRRF dos elementos construtivos de uma edificao. A carga de

incndio, a altura da edificao e o tipo de ocupao so fatores que influenciam

no valor do TRRF segundo a norma em questo. Este mtodo prtico e pode

ser aplicado de imediato.

A norma NBR 14432:2001 afirma tambm que quando a intensidade do

incndio for mais branda do que a considerada para o estabelecimento dos

requisitos da norma, admissvel a utilizao de curvas tericas ou

experimentais de elevao de temperatura durante o incndio.

O Mtodo do Tempo Equivalente (MTE) composto pelo clculo da

temperatura do elemento estrutural a partir da curva-padro para um tempo

fictcio, denominado tempo equivalente (Figura 9). Essa temperatura

corresponde mxima temperatura do elemento, baseado na curva natural

(SILVA, 2004).

31

Figura 9 Conceito do Mtodo do Tempo Equivalente (Fonte: SILVA, 2004).

As variveis do MTE incluem os materiais que compem a seo

transversal do elemento, a carga de incndio e o grau de ventilao do

compartimento de incndio.

A norma NBR 14432:2001, alm do MTE, tambm permite a utilizao

de mtodos de anlise de risco que levam em considerao as medidas de

proteo contra incndio (ativas ou passivas) no clculo do TRRF. Essa norma

sugere utilizar o Mtodo de Gretener ou outro mtodo equivalente.

Os mtodos de avaliao de risco foram desenvolvidos inicialmente para

verificar a segurana integral da edificao, com o objetivo de proteger a vida e o

patrimnio, para atender s necessidades das companhias de seguros.

Atualmente estes mtodos so usados para determinar o nvel de segurana da

estrutura.

Segundo SILVA (1997), o Mtodo de Gretener, proposto pelo suo Max

Gretener, um mtodo simplificado de anlise de risco. O risco do incndio o

perigo associado s consequncias catastrficas do sinistro.

O Mtodo de Gretener permite o estabelecimento do TRRF baseado nas

caractersticas geomtricas do compartimento, altura do edifcio, tipo de

ocupao do compartimento (carga de incndio, risco de propagao do

32

incndio, risco aos usurios, etc.), meios de proteo ativa (brigadas de

incndio, sistemas de deteco de fumaa e calor, sprinklers, etc.), eficincia

das aes de combate ao incndio (distncia do Corpo de Bombeiros, frentes de

combate, etc.).

No Estado de So Paulo, o Corpo de Bombeiros publicou a Instruo

Tcnica N 08/2011 que trata da resistncia ao fogo dos elementos de

construo (CB-PMESP, 2011), instituda pelo Decreto-Lei n56.819 de 2011

(SO PAULO, 2011), contendo procedimento para a determinao do TRRF de

elementos estruturais e de compartimentao. A mesma publicao apresenta

ainda o MTE, que foi incorporado reviso da norma ABNT NBR 15200:2012.

A IT-08/2011 admite o uso do mtodo de tempo equivalente para

reduo dos TRRF, exceto para as edificaes do grupo L (explosivos), das

divises M1 (tneis), M2 (parques de tanques) e M3 (centrais de comunicao e

energia), contudo, ela limita a reduo do TRRF em 30 min dos valores

constantes da tabela A do Anexo A da referida IT.

Na utilizao do mtodo de tempo equivalente, os TRRF resultantes dos

clculos no podem ter valores inferiores a 15 minutos, para edificaes com

altura h 6,00 m dos Grupos A (residencial), D(servios profissionais, pessoais

e tcnicos), E (educacional e cultura fsica), G (servios automotivos), I (divises

industriais) I-1 e I-2 e J (depsitos) J-1 e J-2 e 30 minutos, para as demais

edificaes.

1.5 Aes e segurana nas estruturas

A norma ABNT NBR 8681:2003 define que as aes provocam esforos

ou deformaes nas estruturas e as classifica em trs categorias, aes

permanentes, variveis e excepcionais, segundo sua variabilidade no tempo.

As aes permanentes podem ser diretas, oriundas dos pesos prprios

dos elementos construtivos permanentes, dos pesos dos equipamentos fixos e

de outras aes permanentes aplicadas sobre elas. As indiretas so oriundas

dos recalques de apoio ou da retrao dos materiais.

As aes variveis so as cargas acidentais das construes e seus

efeitos, dos quais incluem os efeitos do vento, as variaes de temperatura, o

atrito nos aparelhos de apoio e as presses hidrostticas e hidrodinmicas.

33

Essas aes so classificadas em aes variveis normais, que so as com

grande probabilidade de ocorrncia e devem ser consideradas no projeto das

estruturas e em aes variveis especiais, das quais devam ser consideradas

certas aes especiais, como as aes ssmicas ou cargas acidentais de natureza

ou de intensidade especiais.

J as aes excepcionais so consideradas como aes decorrentes de

causas tais como exploses, choques de veculos, incndios, enchentes ou

sismos excepcionais.

O incndio considerado como uma ao excepcional, pois possui

durao extremamente curta e baixa probabilidade de ocorrncia durante a vida

da construo, mas segundo a norma em questo, ele deve ser considerado nos

projetos de determinadas estruturas.

Desta forma, para a verificao de estruturas de concreto em situao de

incndio, compara-se os esforos resistentes da estrutura calculados com base

nos valores de clculo das propriedades dos materiais com os esforos

solicitantes definidos segundo as combinaes de aes apropriadas. Dessa

forma, a verificao da estrutura em situao de incndio deve atender a

seguinte condio (equao 2):

. . (2)

Onde:

. so os esforos atuantes na estrutura em situao de incndio;

. so os esforos resistentes da estrutura em situao de incndio.

Os esforos que atuam na estrutura em situao de incndio so

calculados temperatura ambiente no estado limite ltimo (ELU), atravs de

uma nica combinao ltima excepcional de aes (item 4.3.2.3 da norma

ABNT NBR 8681:2003). O ELU caracterizado pelo colapso estrutural ou outras

formas de falha, como perda do equilbrio, instabilidades, deformaes

excessivas, etc. A combinao excepcional de aes para a situao de incndio

dada pela equao (3).

= =1 + , + 0,

=1 , (3)

Onde:

o valor de clculo das aes em situao de incndio;

34

o coeficiente de ponderao das aes permanentes;

o valor caracterstico das aes permanentes;

, o valor caracterstico das aes excepcionais;

o coeficiente de ponderao das aes variveis;

0, o fator de combinao das aes variveis;

, o valor caracterstico das aes variveis.

Por orientao da norma NBR 15200:2012 (Projeto de estruturas de

concreto em situao de incndio) usual, a ao excepcional do incndio,

consistir apenas na reduo da resistncia dos materiais e na capacidade dos

elementos estruturais, ou seja, so desprezados todos os esforos decorrentes

de deformaes impostas, por serem muito reduzidas e pelas grandes

deformaes plsticas que ocorrem em situao de incndio.

35

Captulo 2 Influncia da alta temperatura nas propriedades dos materiais

sabido que ocorrem muitas transformaes fsico-qumicas nos

materiais quando so submetidos a altas temperaturas, incluindo-se nessa

anlise o concreto e o ao. O primeiro, apesar de ser um material heterogneo

(agregados, pasta de cimento e gua) em temperatura ambiente, tratado como

material homogneo e o segundo, normalmente nervurado, melhora a aderncia

com o concreto e permite considerar, nos clculos, a perfeita aderncia entre

estes materiais.

Elevadas temperaturas, acima de 100C, fazem com que o concreto e o

ao sofram transformaes influenciadas por caractersticas da mistura, ou

seja, o tipo do cimento, tipo de agregados, fator gua/cimento, fator

cimento/agregado, teor de unidade, etc. (COSTA, 2008).

2.1 Concreto

Os principais efeitos observados no concreto submetido a elevadas

temperaturas so a deteriorao das propriedades mecnicas, os danos

causados pelas deformaes trmicas e o lascamento (spalling).

O concreto, nos primeiros instantes do aquecimento, apresenta um

comportamento complexo e instvel, devido a mudanas na microestrutura, nas

propriedades termo-hidro-mecnicas, na taxa de aquecimento, no teor de

umidade inicial, na geometria e nas dimenses do elemento estrutural, no

carregamento, nos materiais constituintes, nas interaes fsico-qumicas

(algumas reversveis aps o resfriamento e outras irreversveis que reduzem a

capacidade da estrutura aps o incndio), entre outros.

36

As alteraes fsico-qumicas no concreto sob temperaturas elevadas so

(FIB, 2007):

20C a 80C: aumento da hidratao do cimento, perda lenta de gua nos

capilares e reduo das foras de tenso;

100C: aumento significativo da permeabilidade;

80C a 200C: aumento da taxa de perda da gua capilar e gua livre;

150C: pico do primeiro estgio de decomposio dos hidratos de silicato de

clcio.

300C e acima: aumento significativo da porosidade e microfissuraao;

350C: ruptura de alguns agregados do tipo seixos de rio;

374C: temperatura crtica para a qual no possvel haver gua livre;

400C a 600C: dissociao do Ca(OH)2 em CaO e gua;

573C: os agregados silicosos ( base de quartzo) expandem;

700C e acima: dissociao de CaCO3 em CaO e CO2;

720C: segundo pico de decomposio do CSH;

800C: os agregados calcrios se decompem;

1060C: incio da fuso de alguns constituintes do concreto.

37

Figura 10 - Reaes fsico-qumicas do concreto endurecido durante o aquecimento (Fonte: adaptado de FIB, 2007)

A diminuio da resistncia do concreto resulta da combinao das

alteraes fsicas e qumicas do concreto. A temperatura crtica de perda de

resistncia mais significativa varia conforme o agregado:

430C: concreto com agregados silicosos;

650C: concreto com agregados leves;

660C: concreto com agregados calcrios.

38

importante salientar que muitos estudos foram feitos em ambientes

controlados e sabido que tais circunstncias podem no corresponder com as

incidncias reais, tais como:

Uso de curvas de incndio padro;

Resfriamento lento, que resultam em gradientes trmicos mais brandos na

seo transversal;

Uso de outras curvas de incndio adequadas somente para aplicaes

especficas.

Sendo assim, pouco se estudou a respeito do comportamento em

cenrios de incndio real. Uma vez que os estudos basearam-se apenas em

ambientes controlados. Melhor seria se mensurasse as transformaes por

meio da avalio dos gradientes trmicos para vrios tempos de exposio ao

fogo segundo curvas de incndio naturais, para determinar os piores cenrios

de incndio reais aos quais uma estrutura pode estar sujeita.

Segundo o FIB (2007), os resultados dos ensaios podem variar

significativamente e at mesmo serem conflitantes, pois esto sujeitos s

diferentes condies de ensaios, ao uso de mtodos de ensaio inadequados e s

diferentes caractersticas dos equipamentos de ensaios, alm de se considerar

diferentes tipos de concreto como um nico material. Contudo, isso se deve

falta de compreenso sobre o comportamento do concreto submetido a alta

temperatura e suas diversas particularidades.

O calor especfico, a massa especfica, a condutividade trmica e a

expanso trmica so as propriedades trmicas importantes para as anlises

trmicas e termoestruturais, sendo que as trs primeiras so essenciais para a

anlise trmica da seo de elementos estruturais. Devido s restries

dilatao trmica, a expanso trmica importante para a anlise dos efeitos de

2 ordem. Ela indicada para a modelagem de prticos e pode ser necessria

anlise de elementos isolados.

A propriedade termodinmica mais importante do material o calor

especfico, pois mede a variao trmica de um material ao receber calor.

A massa especfica e a expanso trmica esto inter-relacionadas, desta

forma, grande parte dos materiais slidos dilata-se quando aquecida, e contrai-

se quando resfriada, portanto, h variao volumtrica, a qual influencia a

massa especfica do material.

39

A propriedade fsica que mede a capacidade do material de conduzir o

calor, molcula a molcula a condutividade trmica. O concreto, por ter a

microestrutura amorfa e porosa, apresenta baixa condutividade trmica, pois os

vazios so preenchidos por ar ou gua, o que retarda a absoro do calor.

2.1.1 Calor especfico

O Eurocode 2 (EM 1992-1-2:2004) item 3.3.2, dita a variao do calor

especfico do concreto em funo da temperatura, sendo este concreto

constitudo de agregados silicosos ou calcrios. Nos concretos secos (u = 0%), o

calor especfico em funo da temperatura dado pela equao abaixo:

() = 900 para 20 100

() = 900 + ( 100) para 100 < 200

() = 900 +( 100)

2 para 200 < 400 (4)

() = 1100 para 400 < 1200

Onde:

: calor especfico do concreto [J/kg.K];

: temperatura do concreto [].

Quando a unidade no for considerada, explicitamente, no clculo, a

funo do calor especfico pode ser modificada acrescentando um valor

constante de pico, que ocorre devido a evaporao da gua livre no concreto.

O valor de pico est situado entre 100C e 115C com decaimento

linear entre 115C e 200C, conforme preconiza a EM 1992-1-2:2004, assim

os valores de pico relevantes so:

, pico = 900 J/(kg.K) para teor de umidade u=0,0% da massa de concreto;

, pico = 1470 J/(kg.K) para teor de umidade u=1,5% da massa de concreto;

, pico = 2020 J/(kg.K) para teor de umidade u=3,0% da massa de concreto.

Usa-se a interpolao linear para outros teores de unidade.

A figura 11 apresenta o grfico da variao do calor especifico do

concreto com a temperatura, para os trs teores de umidade acima.

40

Figura 11 Calor especfico do concreto , em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-

2:2004).

Segundo COSTA (2008), no se recomenda que os concretos possuam

teor de unidade superior a 3%, pois a durabilidade pode ser comprometida.

Assim, em ambientes secos e internos s edificaes, os elementos do

concreto, possuem um teor de umidade U 1.5%, em peso, enquanto os

externos, possuem teor de umidade U 3%.

2.1.2 Massa Especfica

O Eurocode 2 (EM 1992-1-2:2004) item 3.3.2, demostra que a massa

especfica do concreto varia em funo da temperatura, sendo as relaes

vlidas para concretos feitos de agregados silicosos ou calcrios. A massa

especfica em funo da temperatura dada pela seguinte equao:

() = (20) para 20 115

() = (20)[1 0,02( 115)/85] para 115 < 200

() = (20)[0,98 0,03( 200)/200] para 200 < 400 (5)

() = (20)[0,95 0,07( 400)/800] para 400 < 1200

Onde:

41

: massa especfica do concreto [kg/m];


Suas relaes so apresentadas graficamente abaixo:

Figura 12 Massa especfica do concreto em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004).

2.1.3 Condutividade Trmica

O Eurocode 2 no item 3.3.3 preconiza que a condutividade trmica do

concreto em funo da temperatura representada por duas curvas, limite

superior e inferior.

A curva limite superior da condutividade trmica do concreto

representada pela equao (6):

= 2 0,2451 ( 100) + 0,0107 ( 100)2 (6)

Onde:

: condutividade trmica do concreto [W/(m K)];


A curva limite inferior da condutividade trmica do concreto

representada pela equao abaixo:

42

= 1,36 0,136 ( 100) + 0,0057 ( 100)2 (7)

Onde:

: condutividade trmica do concreto [W/(m K)];


As relaes das equaes (6) e (7) so vlidas para a variao de

temperatura entre 20C e 1200C, sendo representadas graficamente na

seguinte figura.

Figura 13 Condutividade trmica do concreto em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004).

A definio da curva limite inferior foi baseada em ensaios de diferentes

tipos de estruturas de concreto em situao de incndio e a curva limite

superior foi deduzida a partir de ensaios com estruturas mistas, como afirmado

no anexo A do Eurocode 2 (EM 1992-1-2:2004), desta forma, em anlises

trmicas de estruturas de concreto, a utilizao da curva do limite inferior,

resulta em temperaturas mais confiveis, se comparadas s anlises feitas com

a utilizao da curva do limite superior.

A reviso da norma NBR 15200:2012 apresenta apenas a expresso da

curva do limite inferior, sem citar a existncia do limite superior. Desta forma,

permite adotar, para a condutividade trmica do concreto em situao de

incndio, o valor constante de c = 1,3 W/(m C).

Apesar de o Eurocode 2 (EN 1992-1-2:2004) apresentar a unidade

[W/(m K)] para a condutividade trmica do concreto e a NBR 15200:2012 a

43

unidade [W/(m C)], os valores de c so os mesmos, pois ambos os sistemas de

medida da temperatura so centgrados.

Ainda que a condutividade trmica do concreto dependa de todos os

seus constituintes, ela determinada principalmente pelo tipo de agregado, pois

estes representam de 60% a 80% do volume do concreto (FIB, 2007).

O teor de umidade outro fator importante para a condutividade

trmica, pois a condutividade trmica da gua muito maior que a do ar, desta

forma, quanto maior for a relao gua/cimento, maior ser a porosidade do

concreto e consequentemente menor ser sua condutividade trmica,

especialmente para baixos teores de umidade (FIB, 2007).

2.1.4 Curva tenso-deformao

O Eurocode 2 (EN 1992-1-2:2004) ainda apresenta a eq. (8), como

modelo constitutivo do concreto sob compresso uniaxial em situao de

incndio.

0,=

0,

1+(

0,)

(8)

Onde:

: tenso no concreto;

0,: tenso no concreto correspondente deformao 0,;

: deformao no concreto;

0,: deformao no concreto correspondente tenso 0,;

n: parmetro que mede o grau de no linearidade da curva tenso-deformao.

O parmetro n depende da resistncia do concreto, da relao

agregados-cimento e do tamanho dos agregados e, tem como base as curvas

tenso-deformao obtidas por meio de ensaios de elementos de concreto sob

temperaturas elevadas.

Conforme aumenta a temperatura, a deformao ltima ,0 aumenta,

reafirmando que o concreto torna-se mais tolerante a maiores deformaes sob

temperaturas elevadas e tambm aps o resfriamento (FIB, 2008).

44

A demonstrao da reduo da resistncia do concreto (,/) em

funo da temperatura feita pela figura (14).

Figura 14 Parmetros de reduo da resistncia do concreto sob compresso em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004).

As curvas tenso-deformao para concretos com agregados silicosos e

calcrios so apresentadas respectivamente pelas figuras 15 e 16.

Figura 15 Curvas tenso-deformao do concreto com agregados silicosos sob compresso, para diversas temperaturas (Fonte: EM 1992-1-2:2004).

45

Figura 16 Curvas tenso-deformao do concreto com agregados calcrios sob compresso, para diversas temperaturas (Fonte: EM 1992-1-2:2004).

Para uma mesma temperatura, o concreto com agregados calcrios

apresenta resistncias maiores, se comparado ao concreto com agregados

silicosos, como podemos perceber ao analisar as Figuras 15 e 16. Isso se d

porque as curvas tenso-deformao esto diretamente ligadas ao parmetro de

resistncia do concreto (Figura 16).

2.1.5 Resistncia trao

A resistncia do concreto trao sob temperaturas elevadas, ainda

pouco explorado. H a necessidade de se detalhar os resultados para a correta

avaliao de fenmenos relacionados fratura, como a resistncia, a energia

especfica e o comprimento caracterstico, bem como a curva tenso-abertura de

fissura. Esses parmetros foram bem investigados aps o resfriamento,

relacionando-se com a mxima temperatura alcanada no material, mas faltam

esclarecimentos sobre a perda da capacidade resistente. Sabe-se com certeza

que os materiais admitem grandes deformaes sob temperaturas elevadas (FIB,

2008).

recomendvel, de forma conservadora, ignorar a resistncia trao

do concreto em situao de incndio, na fase de projeto, mas se houver

necessidade, deve-se adotar os valores do coeficiente redutor da resistncia

46

trao do concreto em situao de incndio, conforme a eq. (9) (EN 1992-1-

2:2004).

,() = 1,0 para 20 100 (9)

,() = 1,0 1,0 ( 100)/500 para 100 < 600

Onde:

,: coeficiente redutor da resistncia trao do concreto em situao

de incndio;


A equao (10), mostra que o coeficiente redutor da eq. (9) utilizado

para multiplicar a resistncia caracterstica do concreto sob trao.

,() = ,() , (10)

A variao do redutor da resistncia do concreto trao , em funo

da temperatura representada pela figura a seguir.

Figura 17 Parmetro de reduo da resistncia trao do concreto em funo da temperatura (Fonte: EM 1992-1-2:2004).

Na Figura 18, podemos verificar que, com a elevao da temperatura, a

resistncia do concreto trao decresce mais rapidamente do que a resistncia

compresso. Segundo o Boletim 46 do FIB (2008), alguns estudos indicam que

a energia de fratura do concreto no reduzida sob temperaturas elevadas,

podendo inclusive ser ligeiramente maior que temperatura ambiente.

47

Figura 18 Comparao entre os parmetros de reduo da resistncia trao e compresso do concreto em funo da temperatura (Fonte: adaptado de EM 1992-1-2:2004).

2.1.6 Deformao linear especfica

A deformao linear especfica total do concreto sob temperaturas

elevadas pode ser decomposta nos seguintes componentes: deformao elstica

inicial, deformao plstica inicial, deformao trmica, deformao devido

retrao, deformao devido fissurao, deformao trmica transicional,

deformao devido fluncia por secagem, deformao devido fluncia

dependente do tempo e deformao devido a alteraes na deformao elstica

que se manifestam durante o aquecimento com atuao do carregamento.

Dos componentes acima, somente a deformao trmica e a deformao

devido retrao so independentes do carregamento aplicado. Os

componentes de deformao elstica e plstica iniciais so normalmente

determinados juntos, durante aplicao de carregamento sob temperatura

constante, comumente chamados de deformao elasto-plstica.

Da mesma forma, as parcelas de deformao trmica e devido

retrao, consideradas inseparveis, so medidas juntas e, na literatura,

comumente chamada de deformao trmica.

A perda de umidade, durante o aquecimento inicial, provoca a

deformao devido retrao. Sob temperaturas elevadas, a retrao tambm

causada por dissociaes qumicas (por exemplo, C-S-H, CH, CaCO3).

48

A literatura geralmente ignora a deformao devido fissurao, que

considerada como parte da deformao trmica.

Agrupados, os quatro ltimos componentes de deformao, compem a

deformao trmica induzida pelo carregamento, comumente chamada de LITS

(Load Induced Thermal Strain). Uma significativa parcela da relaxao e

redistribuio das tenses trmicas no concreto aquecido devido a LITS, pois

ela muito maior que as deformaes elsticas. A LITS se manifesta apenas no

concreto submetido compresso (FIB, 2007).

A LITS obtida atravs do calculo da diferena entre a deformao

trmica de um corpo de prova aquecido sem carregamento e a deformao

medida em outro corpo de prova (idntico ao primeiro) sob carregamento

constante antes do aquecimento e mantido constante durante o aquecimento,

descontando a deformao elasto-plstica inicial (Figura 19).

Figura 19 Exemplo de LITS de um concreto com agregados de basalto, determinado como a diferena entre as deformaes trmicas entre concreto com 0% e 10% de sua tenso

resistente aplicada (Fonte: adaptado de FIB, 2007).

49

O tipo de agregado utilizado tem pouca influncia sobre a LITS, mas ela

bastante influenciada pelo volume dos agregados no concreto. A idade do

concreto, o tipo de concreto (relacionado ao tipo de agregado) e o teor de

umidade inicial influenciam muito pouco na LITS. Segundo FIB (2007), esses

fatores, associados quase linearidade da LITS conforme a tenso aplicada e

pequena influncia da taxa de aquecimento, permitem considervel

simplificao na anlise de estruturas de concreto sob temperaturas elevadas.

Existe uma curva mestra para a LITS, para temperaturas de at 450C

aproximadamente, pois a LITS varia pouco para diferentes tipos de concreto

(FIB, 2007).

A deformao trmica transicional, parcela de composio da LITS,

consiste estritamente na deformao que ocorre em concretos no drenados.

Deformao esta, induzida pelo primeiro aquecimento sofrido pelo concreto sob

atuao do carregamento. A deformao transiente ocorre em concretos

drenados e inclui a deformao devido fluncia por secagem e a deformao

trmica transicional. Aps o descarregamento, essas duas parcelas da

deformao transiente so irreversveis.

Tanto a deformao transiente como a deformao trmica transicional

no devem conter influncia da deformao plstica que ocorre durante o

aquecimento sob atuao do carregamento e da deformao por fluncia que

depende unicamente do tempo sob carregamento mantido.

Na prtica, a LITS de concretos no drenados chamada de deformao

trmica transicional e a LITS de concretos drenados chamada de deformao

transiente (FIB, 2007).

Como pode ser observada na Figura 20, a deformao transiente a

maior componente da LITS. Essa deformao irreversvel com o resfriamento

e/ou descarregamento e ocorre unicamente durante o aquecimento inicial sob

atuao do carregamento. A deformao transiente acentua-se acima de 100C

e considera-se que depende apenas da temperatura e no do tempo. Segundo o

FIB (2007), tal considerao pode ser feita somente para situaes em que o

aquecimento dure apenas algumas horas.

50

Figura 20 Desenvolvimento da LITS em toro durante o aquecimento (Fonte: adaptado de FIB, 2007).

Observa-se ainda, que a variao das deformaes elsticas que se

manifestam durante o aquecimento do concreto sob atuao do carregamento e

a deformao devido fluncia dependente do tempo, so relativamente

pequenas em relao ao valor total da LITS e ambas so irreversveis aps o

descarregamento (FIB, 2007).

A deformao trmica linear especfica do concreto varia de forma no

linear conforme a temperatura. Este comportamento deve-se em parte s

transformaes fsico-qumicas dos agregados e em parte incompatibilidade

trmica entre os agregados e a pasta de cimento, sendo que a presena de

umidade tambm afeta a deformao trmica linear especfica.

Na Figura 21, podemos observar a variao da deformao trmica

linear especfica do concreto para agregados silicosos e calcrios.

51

Figura 21 Deformao trmica do concreto em funo da temperatura (Fonte: adaptado de EM 1992-1-2:2004).

2.1.7 Spalling (Lascamentos)

O lascamento (spalling) uma terminologia usada para descrever a

separao do concreto superficial das camadas internas. Devido a peculiar

reao do concreto quando submetido a altas temperaturas, a superfcie quente

separa-se instantaneamente do interior frio.

O spalling um dos mais complexos fenmenos de reao ao calor da

macroestrutura do concreto endurecido. Pedaos de concreto da regio

superficial se desprendem, de forma explosiva ou no explosiva, expondo o

interior do elemento estrutural ao direta do calor.

Durante os primeiros minutos de incndio, esse fenmeno, por vezes,

imprevisvel. Por envolver tenses trmicas desenvolvidas por gradientes

trmicos, concentrao de tenses de compresso, presses internas de vapor

na microestrutura do concreto, densidade de armaduras, tipo de agregados,

intensidade do calor, taxa de aquecimento, arranjo da armadura transversal,

espessura do cobrimento, dimenses e forma da seo aquecida, espao entre

os estribos e seus tipos de gancho, suas causas ainda no esto bem

compreendidas.

52

O spalling pode ser classificado quanto extenso dos danos, quanto

forma de desagregao e quanto ao tempo de ocorrncia durante o perodo de

aquecimento (FIB, 2007), a saber:

Spalling dos agregados;

Spalling explosivo;

Spalling superficial;

Spalling por delaminao;

Spalling de canto;

Spalling aps o resfriamento.

Em um nico incndio podem ocorrer diversos tipos de spalling. Os trs

primeiros, normalmente, so manifestados nos primeiros instantes do incndio,

j os trs ltimos ocorrem momentos mais tarde. A extenso e a severidade do

spalling podem variar bastante, pois pode ocorrer desde expulso de pequenos

pontos localizados at destacamento de grandes pores do cobrimento (FIB,

2007).

O spalling superficial a separao gradual das camadas externas,

incluindo os cantos vivos do elemento em aquecimentos de longa durao. Ele

ocorre devido dilatao trmica diferencial do concreto e do ao,

concentrao de tenses de compresso, s formas angulosas da seo e

grande espessura de cobrimentos.

O spalling considerado mais severo o explosivo, ele instantneo e

violento e, como consequncia da forma explosiva, pode resultar na expulso de

camadas de concreto com espessuras que variam de 25 mm a 100 mm,

geralmente ocorre na primeira meia hora de um incndio. O lascamento

explosivo influenciado pela ocorrncia dos seguintes fatores: resistncia, idade

e permeabilidade do concreto, taxa de aquecimento e intensidade dos gradientes

trmicos na seo transversal, dimenses e forma da seo transversal, tipo e

tamanho dos agregados, teor de umidade do concreto, presena de fissuras, tipo

e quantidade de armaduras, presena de fibras de polipropileno e carregamento

aplicado.

O spalling explosivo pode ocorrer de duas formas: devido s tenses

trmicas ou devido presso nos poros do concreto. Elas podem ocorrer

simultaneamente ou isoladamente, dependendo das dimenses da seo

53

transversal, teor de umidade do concreto e caractersticas dos materiais (FIB,

2007) e, so influenciadas pelos carregamentos aplicados.

A tabela 2 apresenta os fatores que influenciam na ocorrncia dos

diversos tipos de spalling.

Tabela 2 Caractersticas que influenciam na ocorrncia dos diferentes tipos de spalling (Fonte: traduzido de FIB, 2007).

A seguir ser descrito, os fatores que influenciam a ocorrncia do

spalling explosivo, descrio esta apresentada pelo FIB (2007):

Permeabilidade do concreto: o transporte de vapor no concreto aquecido

afetado pela permeabilidade do concreto e influencia na evoluo das

presses nos poros do material. Os concretos de alta qualidade, geralmente,

possuem maior densidade e, por conseguinte, possuem maior massa

especfica e menor porosidade, oferecendo maior resistncia ao transporte de

vapor. Apesar da necessidade de comprovao em estudos especficos, tem

sido sugerido que o spalling seria improvvel de ocorrer em concretos com

permeabilidade superior a 5 1011 cm.

Idade do concreto: a influncia da idade do concreto na susceptibilidade

ocorrncia do spalling um assunto conflitante entre diversas pesquisas. A

54

maioria dos estudos afirma que a probabilidade de ocorrncia do spalling

diminui com o aumento da idade do concreto, isso possvel devido ao

menor teor de umidade nesses concretos.

Resistncia do concreto: concretos de baixa resistncia, geralmente,

apresentam menos spalling que concretos de alta resistncia. O uso de

concretos de alta resistncia tem sido maior nos ltimos anos. Esse concreto

obtido atravs da reduo da relao gua-cimento e do uso de aditivos. De

forma geral, a menor relao gua-cimento favorece o spalling devido

presso nos poros do concreto, pois a permeabilidade menor, mas reduz o

spalling devido s tenses trmicas, pois aumenta a resistncia. Acreditava-

se que o concreto de alta resistncia e baixa permeabilidade seria mais

susceptvel ao spalling do que concretos de resistncia normal. Contudo,

estudos recentes mostraram que isso no sempre verdade, pois a melhor

resistncia trao desse concreto pode anular as tenses que originam o

spalling. Os estudos mostraram, por fim, que, mesmo para baixas taxas de

aquecimento, os concretos com adio de microsslica so muito susceptveis

ao spalling.

Tenses de compresso e restries s deformaes: a probabilidade de

ocorrncia do spalling aumentada quando houver o carregamento, aliado

s restries s deformaes em situao de incndio. O favorecimento da

ocorrncia do spalling explosivo se d pelo aumento das tenses de

compresso, seja pela reduo da seo transversal ou pelo aumento do

carregamento. Quando a taxa de aquecimento possui valor tal que as

tenses no podem ser aliviadas suficientemente rpidas pela fluncia

transiente, provocam tenses de compresso elevadas, devido s restries

s deformaes trmicas. As tenses de compresso acima de 2 N/mm

combinadas com teores de umidade superiores a 3,3% em massa tornam

praticamente certa a ocorrncia do spalling.

Tipo de agregado: Apesar de haver divergncias em resultados de diversas

pesquisas, pode-se afirmar que o spalling de menor intensidade para

concretos feitos com agregados de baixa expanso trmica. O risco de

ocorrncia do spalling crescente para a seguinte ordem de agregados:

granito, basalto, silicoso e calcrio. Essa ordem vlida quando os

agregados esto relativamente secos, uma vez que pesquisas indicaram alta

55

probabilidade de ocorrncia do spalling em concreto feito com agregado leve

saturado.

Tamanho dos agregados: as pesquisas evidenciam que o risco de ocorrncia

do spalling explosivo aumenta com o uso de agregados maiores.

Fissurao: a fissurao interna possui efeitos opostos. Enquanto, as

microfissuras facilitam o escape das presses de vapor durante o

aquecimento, elas favorecem o spalling devido propagao dessas fissuras.

Armaduras: estudos indicaram que, para a ocorrncia de spalling, a

quantidade de armadura menos importante do que sua presena ou

ausncia. Contudo, o spalling pode ser favorecido nas regies de

concentrao de barras e com espaamento reduzido, pois estas regies

induzem formao de fissuras.

Cobrimento: h risco de ocorrncia do spalling, se o cobrimento for maior

que 40 mm para concretos feitos com agregados densos ou 50 mm para

concretos feitos com agregados leves. Por outro lado, cobrimento com

espessura de 15 mm ou menos parece ser menos propenso ao spalling,

provavelmente porque a massa de concreto desguarnecida de armao

menor.

Armao adicional: o uso de uma malha metlica leve no evita o spalling,

mas, alm de facilitar possveis reparos aps o incndio, pode limitar a

extenso do spalling e melhorar significativamente a resistncia ao fogo de

colunas de concreto armado. As malhas metlicas so utilizadas em

elementos cujo cobrimento exceda 40 mm. Contudo, pode ser difcil

posicionar essas malhas, especialmente em sees transversais esbeltas. O

uso de telas metlicas complementares recomendado apenas nas situaes

em que os padres de resistncia ao fogo sejam bastante exigentes.

Fibras de ao: a adio de fibras de ao como reforo, no elimina o spalling,

pelo contrrio, o aumento da resistncia trao produzida, provoca uma

quantidade maior de energia e, por conseguinte, uma exploso mais violenta

devido liberao repentina dessa energia.

Fibras de polipropileno: recentemente, estudos indicaram que a adio de

0,05% a 0,1% (em massa) de fibras de polipropileno na mistura de concreto

elimina ou ao menos reduz muito o spalling explosivo, mesmo em concretos

de alta resistncia (60 a 110 MPa), mas no necessariamente em concretos

56

com resistncia acima de 150 MPa. Embora o uso de fibras de polipropileno

no concreto j seja adotado em algumas obras, essa tecnologia ainda est em

fase de desenvolvimento e ainda esto sendo feitos estudos experimentais. O

efeito da adio das fibras de polipropileno se manifesta pela fuso destas

durante o incndio, criando canais de escape que aliviam a presso interna

dos poros do concreto.

Aditivos incorporadores de ar: o uso de aditivos incorporadores de ar pode

reduzir o risco de ocorrncia do spalling explosivo. O uso desses aditivos tem

como efeito a reduo da saturao dos poros do concreto, aliviando as

presses nos poros.

Cada tipo de spalling possui seu prprio mecanismo de ocorrncia, o que

torna o estudo de seus mecanismos bastante extenso, pois s vezes alguns

mecanismos atuam em conjunto. Desta forma, vamos nos ater aos mecanismos

do spalling explosivo, segundo FIB (2007), conforme disposto a seguir:

Spalling devido s presses nos poros: o teor de umidade inicial do

concreto (saturao dos poros), a permeabilidade do concreto e a taxa de

aquecimento, so os principais fatores que afetam esse mecanismo. Somente

em pequenos corpos de prova sem atuao de carregamento que o spalling

devido s presses nos poros age sozinho. Em elementos maiores, para se

avaliar a probabilidade de ocorrncia do spalling explosivo, a presso nos

poros do concreto deve ser considerada em conjunto com as tenses

trmicas e as tenses devido ao carregamento.

Spalling devido s tenses trmicas: cermicas e concreto seco, quando

submetido a taxas de aquecimento suficientemente elevadas, podem

apresentar spalling explosivo. Este fenmeno atribudo ao excesso de

tenses trmicas geradas sob altas taxas de aquecimento, evidenciando que

outros fatores, alm das presses nos poros do concreto, podem contribuir

para a ocorrncia do spalling. O aquecimento do concreto cria gradientes de

presso que induzem tenses de compresso prximas superfcie aquecida,

devido expanso trmica restringida e s tenses de trao nas regies

mais frias. O carregamento ou protenso existentes, somados s tenses

trmicas, aumentam as tenses de compresso na superfcie do elemento.

Contudo, so raras as situaes nas quais os elementos de concreto

possuem nveis de carregamento suficientes para atingir as tenses limites.

57

Isso faz com que a ocorrncia do spalling devido s tenses trmicas, por si

s, seja um fenmeno raro, mas no impossvel.

Figura 22 Mecanismo do spalling explosivo (Fonte: FIB,2007).

58

Spalling combinado, devido s presses nos poros e s tenses

trmicas: geralmente, a combinao dos dois mecanismos descritos

anteriormente contribui para a ocorrncia do spalling explosivo, ou seja,

quando h presso elevada nos poros do concreto, fissurao interna e

tenses de compresso prximas superfcie do elemento (Figura 22). As

fissuras se desenvolvem paralelas superfcie, quando a soma das tenses

supera a resistncia trao do concreto. Isso acompanhado por uma

liberao sbita de energia e uma falha violenta da regio na superfcie

aquecida.

Figura 23 Exemplo de Spalling Explosivo ocorrido em pilar de alta resistncia fck = 83 MPa (Fonte: Kodur, 2005, de Britez, 2011).

O spalling deve ser evitado ao mximo, pois pode diminuir

significativamente os nveis de segurana da estrutura em situao de incndio

e invalidar hipteses de clculo. O fator que limita o desenvolvimento de

modelos de clculo robustos para prever o comportamento de estruturas de

concreto em situao de incndio a incapacidade atual de se prever a

ocorrncia do spalling (FIB, 2007).

As principais consequncias do spalling so a reduo da rea da seo

transversal, o que diminui a capacidade resistente da pea, aumentando, desta

forma, a tenso aplicada ao concreto e ao remanescentes e, a exposio direta

das armaduras ao fogo, que devido ao aquecimento, resulta em rpida perda de

resistncia das mesmas.

59

Nas ltimas dcadas, o spalling tem sido bastante estudado, mas os

mtodos de anlise e previso do fenmeno ainda esto em desenvolvimento.

Nos ltimos anos, foram feitos importantes progressos, especialmente em

relao compreenso dos mecanismos que levam ao spalling. At o presente

momento, a previso do spalling baseia-se principalmente em critrios empricos

pouco precisos (FIB, 2007).

Podem ser usados, como parmetro para avaliar a probabilidade de

ocorrncia do spalling, ensaios experimentais de elementos de concreto em

escala real. Esses ensaios apresentam resultados confiveis, mas os custos dos

ensaios so elevados e recomendvel ensaiar uma quantidade satisfatria de

elementos para a obteno de resultados estatisticamente confiveis.

Algumas pesquisas sugerem modelos simplificados baseados em

diagramas que relacionam o teor de umidade do concreto e as tenses

probabilidade de ocorrncia do spalling.

As principais limitaes dos modelos simplificados so considerar

apenas dois fatores envolvidos no spalling, quando na realidade h diversos

outros parmetros

tcc_estruturas de concreto armado deterioradas por incêndio

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