tratado fogo chapa aço

5/26/2018 Tratado Fogo Chapa Ao

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

IINNVVEESSTTIIGGAAOODDOOSSEEFFEEIITTOOSSDDEETTEEMMPPEERRAATTUURRAASS

EELLEEVVAADDAASSEEMMRREEFFOORROOSSEESSTTRRUUTTUURRAAIISS

CCOOMMTTEECCIIDDOOSSDDEEFFIIBBRRAADDEECCAARRBBOONNOO

Rogrio Cattelan Antocheves de Lima

Dissertao de Mestrado

PORTO ALEGRE

2001


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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

IINNVVEESSTTIIGGAAOODDOOSSEEFFEEIITTOOSSDDEETTEEMMPPEERRAATTUURRAASS

EELLEEVVAADDAASSEEMMRREEFFOORROOSSEESSTTRRUUTTUURRAAIISS

CCOOMMTTEECCIIDDOOSSDDEEFFIIBBRRAADDEECCAARRBBOONNOO

Rogrio Cattelan Antocheves de Lima

Dissertao apresentada ao corpo docente do Programa de

Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal

do Rio Grande do sul, como parte dos requisitos para a

obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.

PORTO ALEGRE

2001


3/140

iii

Esta dissertao foi julgada adequada para a obteno do ttulo de MESTRE EM

ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelos Orientadores e pelo Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

_______________________________ _______________________________

Prof.LLuuiizzCCaarrlloossPPiinnttooddaaSSiillvvaaFFiillhhoo Prof.JJooooLLuuiizzCCaammppaaggnnoolloo

Orientador Colaborador

_____________________________________Prof.FFrraanncciissccooddeePPaauullaaSSiimmeessLLooppeessGGaassttaall

Coordenador do Programa de Ps-Graduao

em Engenharia Civil

BANCA EXAMINADORA

Prof.LLuuiizzCCaarrlloossPPiinnttooddaaSSiillvvaaFFiillhhoo(Orientador)

Ph.D. pela University of Leeds, Reino Unido

Prof.JJooooLLuuiizzCCaammppaaggnnoolloo(Colaborador)

M.Sc. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Prof.PPaauullooRRoobbeerrttooddooLLaaggooHHeelleennee

Dr. pela Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

Profa.DDeenniisseeCCaarrppeennaaCCooiittiinnhhooDDaallMMoolliinn

Dra. pela Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

Prof.HHlliiooAAddooGGrreevveenn

Dr-Ing. pela Universidade Tcnica de Hannover, Alemanha.


4/140

iv

A mente de um homem, uma vez ampliada por uma nova idia,jamais retorna sua dimenso original.

Oliver Wendell Holmes


5/140

v

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Luiz Carlos Pinto da Silva Filho pelos conhecimentos transmitidos e pela

constante disponibilidade, ateno e amizade durante a orientao dos trabalhos.

Ao Prof. Joo Luiz Campagnolo pela vasta experincia profissional transmitida ao longo

desta pesquisa.

A Profa. Denise Dal Molin pela orientao durante o perodo bsico e colaborao na

escolha do tema de pesquisa.

Ao Prof. Andriei Beber, companheiro de mesmo ideal, pelos conhecimentos e ajuda na

conduta da pesquisa.

Aos tcnicos Eurpedes Fontes, Paulo Bueno, Flvio Lima e auxiliares Alcemar Ramos,

Airton Freitas, derson Soares e Vanderlei Soares pela colaborao nas diversas etapas da

pesquisa.

Aos bolsistas Alessandra Moro, Carlos A. Theisen, Daniela Brando, Daniele Caberlon,Eduardo Schnitzler, Fabrcio De Paoli, Karin Malcum, Luciane Caetano e, em especial, ao Lucas

Pasquali pelo apoio durante a execuo dos ensaios e pelos momentos de grande amizade que

vivenciamos.

Ao Prof. Hlio Greven, Prof. Jos Luis Duarte Ribeiro, Prof. Carlos Ferreira e a

bibliotecria June Scharnberg pelo acompanhamento em etapas especficas do estudo. A colega

Martina Lersch pela traduo das bibliografias em alemo. Ao Laboratrio de Materiais

Cermicos pelo emprstimo de equipamentos.

Ao Prof. Dario Klein, aos colegas de turma Andra Naguissa, Anelse Todeschini, Cristina

Brito, Giane Grigoletti, Ludmila Mattos, Maki Tokudome, Marcelo Azambuja, Paulo Marchesan,

Rafael Kluwe, Roberto Barbosa e Val ria Pereira e aos amigos Graziela Grando, Liliani

Gaeversen, Luciana Mnica e Ranier Barbieri pelo convvio fraterno ao longo destes dois anos.

Aos meus pais e familiares que, mesmo distantes, contriburam no decorrer desta jornada

com seu estmulo e carinho, dissipando o desnimo nos momentos difceis.

Finalizando, a Deus que me deu a vida e as condies para chegar onde estou.


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vi

SUMRIO

Agradecimentos ____________________________________________________________ v

Sumrio __________________________________________________________________vi

Lista de Figuras ____________________________________________________________ x

Lista de Quadros __________________________________________________________ xii

Lista de Tabelas __________________________________________________________ xiii

Resumo__________________________________________________________________xiv

Abstract__________________________________________________________________ xv

Introduo ________________________________________________________________ 1

1.1 Consideraes Iniciais ________________________________________________ 1

1.2 Justificativa ________________________________________________________ 3

1.3 Hipteses___________________________________________________________ 5

1.4 Objetivos___________________________________________________________ 5

1.4.1 Objetivo Especfico _______________________________________________ 6

1.4.2 Objetivos Secundrios _____________________________________________ 6

1.5 Limitaes do Estudo ________________________________________________ 6

1.6 Estrutura da Dissertao _____________________________________________ 7

Reforos com Tecidos de Fibra de Carbono_____________________________________ 10

2.1 Consideraes Iniciais _______________________________________________ 10

2.2 A Tcnica de Reforo com Tecidos de Fibra de Carbono __________________ 14

2.2.1 Princpio Bsico de Funcionamento __________________________________ 14

2.2.2 Propriedades dos Tecidos de Fibra de Carbono _________________________ 15

2.2.3 Propriedades do Adesivo Epxi _____________________________________ 16

2.2.4 Propriedades dos Compsitos _______________________________________ 16

2.3 Vantagens dos Reforos com Fibra de Carbono _________________________ 17

2.4 Investigaes Relacionadas a Reforos com Fibra de Carbono _____________ 18


7/140

vii

2.5 Exemplos de Utilizao de Reforos com Fibra de Carbono _______________ 20

2.6 Limitaes da Tcnica_______________________________________________ 21

A Ao de Temperaturas Elevadas ____________________________________________ 22

3.1 Consideraes Iniciais _______________________________________________ 22

3.2 Princpios do Fenmeno da Combusto ________________________________ 23

3.2.1 Elementos Essenciais ao Fogo ______________________________________ 24

3.2.2 Fases de um Incndio _____________________________________________ 26

3.2.3 Classificao dos Incndios ________________________________________ 28

3.3 Efeitos das Altas Temperaturas em Elementos Estruturais ________________ 29

3.3.1 Efeito de Altas Temperaturas sobre a Madeira e o Ao ___________________ 303.3.2 Efeito de Altas Temperaturas sobre o Concreto_________________________ 31

3.3.3 Efeito de Altas Temperaturas sobre Compsitos de Fibra de Carbono _______ 33

3.4 Preveno e Controle de Incndios ____________________________________ 35

3.4.1 Mtodos de Controle e Extino do Fogo _____________________________ 37

3.4.2 Classificao dos Mtodos de Extino por Tipo de Incndio ______________ 38

3.5 Tcnicas de Proteo________________________________________________ 39

3.5.1 Tipos de Proteo Passiva _________________________________________ 40

3.5.2 O Papel do Gesso como Elemento de Proteo Trmica __________________ 42

Programa Experimental ____________________________________________________ 45

4.1 Estrutura da Pesquisa_______________________________________________ 45

4.2 Estudo Preliminar__________________________________________________ 46

4.2.1 Definio dos Corpos de Prova _____________________________________ 46

4.2.2 Matriz Experimental: Estudo Preliminar ______________________________ 47

4.3 Delineamento da Etapa Principal da Pesquisa___________________________ 48

4.3.1 Parmetros de Controle____________________________________________ 49

4.3.2 Variveis de Estudo ______________________________________________ 49

4.4 Estudos Complementares ____________________________________________ 52

4.4.1 Anlise em Microscpio Eletrnico de Varredura (MEV)_________________ 53

4.4.2 Anlise Termogravimtrica (TGA) __________________________________ 53

4.4.3 Avaliao de Temperatura de Exposio vs. Acabamento sobre a Superfcie __ 53

Procedimentos Experimentais________________________________________________ 55


8/140

viii

5.1 Etapas do Procedimento Experimental_________________________________ 55

5.2 Concretagem dos Modelos ___________________________________________ 56

5.2.1 Definio e Caracterizao dos Materiais _____________________________ 56

5.2.2 Definio do Trao _______________________________________________ 575.2.3 Preparao do Concreto ___________________________________________ 57

5.2.4 Moldagem______________________________________________________ 59

5.2.5 Adensamento ___________________________________________________ 59

5.2.6 Desforma e Cura _________________________________________________ 60

5.2.7 Controle Tecnolgico _____________________________________________ 60

5.3 Procedimentos de Execuo do Reforo ________________________________ 60

5.3.1 Preparao do Substrato ___________________________________________ 615.3.2 Imprimao do Substrato __________________________________________ 62

5.3.3 Execuo do Reforo _____________________________________________ 63

5.4 Procedimentos de Execuo da Proteo _______________________________ 67

5.4.1 Proteo com Argamassa de Revestimento ____________________________ 67

5.4.2 Proteo com Gesso ______________________________________________ 69

5.5 Mtodo de Exposio dos Modelos Temperatura _______________________ 72

5.6 Mtodo de Determinao da Resistncia Flexo ________________________ 73

5.7 Ensaios Complementares ____________________________________________ 75

5.7.1 Anlise em Microscpio Eletrnico de Varredura _______________________ 75

5.7.2 Anlise Termogravimtrica (TGA) __________________________________ 76

5.7.3 Avaliao de Temperatura de Exposio vs. Acabamento sobre a Superfcie __ 76

Avaliao dos Resultados ___________________________________________________ 77

6.1 Estudo Preliminar__________________________________________________ 77

6.2 Etapa Principal ____________________________________________________ 80

6.2.1 Anlise da Varincia ______________________________________________ 80

6.2.2 Regresso Linear ________________________________________________ 87

6.3 Estudos Complementares ____________________________________________ 90

6.3.1 Anlise em Microscpio Eletrnico de Varredura _______________________ 90

6.3.2 Anlise Termogravimtrica ________________________________________ 936.3.3 Avaliao de Temperatura de Exposio vs. Acabamento sobre a Superfcie __ 94


9/140

ix

Concluses e Recomendaes _______________________________________________ 105

7.1 Concluses _______________________________________________________ 105

7.2 Recomendaes ___________________________________________________ 108

7.3 Consideraes Finais _______________________________________________ 109

Referncias Bibliogrficas _________________________________________________ 111

Bibliografia Consultada ___________________________________________________ 117

Anexo 1_________________________________________________________________ 119

Anexo 2_________________________________________________________________ 122


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x

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 Sistema de reforo com chapas pultrudadas _________________________ 12

FIGURA 2.2 Sistema de reforo com fios enrolados sob tenso ____________________ 13

FIGURA 2.3 Sistema de reforo com tecidos de fibra de carbono ___________________ 13

FIGURA 2.4 Esquema da tcnica de reforo ___________________________________ 15

FIGURA 3.1 Rotina de dimensionamento prevista na NBR 14323 ___________________ 39

FIGURA 4.1 Estrutura da pesquisa___________________________________________ 46

FIGURA 4.2 Dimenses da viga padro_______________________________________ 47

FIGURA 5.1 Mistura dos materiais constituintes do concreto ______________________ 58

FIGURA 5.2 Determinao da consistncia do concreto__________________________ 58

FIGURA 5.3 - Concretagem dos modelos _______________________________________ 59

FIGURA 5.4 - Escarificao da superfcie do modelo______________________________ 62

FIGURA 5.5 - Aplicao do primer ____________________________________________ 63

FIGURA 5.6 - Aplicao da primeira camada de adesivo epxi______________________ 64

FIGURA 5.7 - Posicionamento e colagem do tecido _______________________________ 64

FIGURA 5.8 - Retirada do ar aprisionado e excesso de adesivo______________________ 65

FIGURA 5.9 - Retirada do papel protetor _______________________________________ 65

FIGURA 5.10 - Aplicao da segunda camada de adesivo epxi _____________________ 66

FIGURA 5.11 - Panorama da superfcie reforada ________________________________ 66

FIGURA 5.12 Esquema do cobrimento da proteo passiva _______________________ 67

FIGURA 5.13 Modelos chapiscados __________________________________________ 68

FIGURA 5.14 Desempeno da argamassa de revestimento _________________________ 68

FIGURA 5.15 Modelo protegido com argamassa de revestimento___________________ 69

FIGURA 5.16 - Mistura manual da pasta de gesso ________________________________ 70

FIGURA 5.17 Aplicao da pasta de gesso ____________________________________ 70

FIGURA 5.18 - Regularizao da superfcie _____________________________________ 71

FIGURA 5.19 Modelo protegido com gesso ____________________________________ 71

FIGURA 5.20 Grfico da forma de exposio dos modelos temperatura ____________ 72

FIGURA 5.21 Forno utilizado para expor modelos a temperaturas elevadas __________ 73

FIGURA 5.22 Prensa hidrulica Shimadzu ____________________________________ 74FIGURA 5.23 Esquema de aplicao de carga__________________________________ 74


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xi

FIGURA 5.24 Aplicao de carga ao modelo___________________________________ 75

FIGURA 5.25 Equipamento utilizado na anlise termogravimtrica_________________ 76

FIGURA 6.1 Cargas de ruptura dos modelos durante o estudo preliminar____________ 78

FIGURA 6.2 Aparncia dos modelos reforados aps exposio ao calor ____________ 79

FIGURA 6.3 Efeito presena de reforo _______________________________________ 82

FIGURA 6.4 Efeito temperatura de exposio __________________________________ 83

FIGURA 6.5 Efeito temperatura de exposio x presena de reforo ________________ 84

FIGURA 6.6 Efeito temperatura x acabamento de superfcie x presena de reforo_____ 85

FIGURA 6.7 Efeito temperatura de exposio x acabamento de superfcie____________ 86

FIGURA 6.8 Efeito tempo de exposio _______________________________________ 87

FIGURA 6.9 Grfico comparativo entre o comportamento terico e real _____________ 89

FIGURA 6.10 MEV do tecido de fibra de carbono _______________________________ 91

FIGURA 6.11 MEV da matriz do compsito____________________________________ 92

FIGURA 6.12 MEV do concreto utilizado ma moldagem __________________________ 93

FIGURA 6.13 Anlise termogravimtrica do adesivo epxi________________________ 94

FIGURA 6.14 Efeito presena de reforo ______________________________________ 96

FIGURA 6.15 Efeito temperatura de exposio _________________________________ 97

FIGURA 6.16 Efeito temperatura de exposio x presena de reforo _______________ 98

FIGURA 6.17 Efeito acabamento de superfcie x presena de reforo _______________ 99

FIGURA 6.18 Efeito acabamento de superfcie x presena de reforo ______________ 100

FIGURA 6.19 Efeito acabamento de superfcie ________________________________ 101

FIGURA 6.20 Efeito temperatura de exposio x acabamento de superfcie__________ 102

FIGURA 6.21 Grfico comparativo entre o comportamento terico e real ___________ 104

FIGURA 7.1 Aparncia de modelos expostos ao calor com diferentes tipos de proteo 108


12/140

xii

LISTA DE QUADROS

QUADRO 3.1 - Tempo requerido de resistncia ao fogo (TRRF) _____________________ 29

QUADRO 4.1 Matriz experimental do estudo preliminar__________________________ 47

QUADRO 4.2 Camadas de reforo ___________________________________________ 49

QUADRO 4.3 Temperaturas de exposio _____________________________________ 50

QUADRO 4.4 Tempo de Exposio___________________________________________ 51

QUADRO 4.5 Acabamentos sobre a superfcie__________________________________ 51

QUADRO 4.6 Variveis de estudo ___________________________________________ 52

QUADRO 4.7 Matriz experimental da anlise em MEV___________________________ 53

QUADRO 4.8 Matriz experimental para temperatura & acabamento________________ 54

QUADRO 5.1 Etapas do procedimento experimental_____________________________ 55

QUADRO 5.2 - Trao utilizado para a confeco do concreto _______________________ 57

QUADRO 5.3 Propriedades dos tecidos de fibra de carbono_______________________ 61

QUADRO 5.4 Caractersticas do primer e adesivo ______________________________ 61

QUADRO 6.1 Fatores significativas pesquisa _________________________________ 81

QUADRO 6.2 Fatores significativos: Efeito Temperatura x Acabamento_____________ 95

QUADRO A1.1 Matriz experimental do lote I para os modelos no reforados _______ 120

QUADRO A1.2 Matriz experimental do lote I para os modelos reforados ___________ 120

QUADRO A1.3 Matriz experimental do lote II para os modelos no reforados ______ 121

QUADRO A1.4 Matriz experimental do lote II para os modelos reforados __________ 121


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xiii

LISTA DE TABELAS

TABELA 5.1 Caractersticas fsicas do cimento (dados do fabricante) _______________ 56

TABELA 5.2 Composio granulomtrica do agregado grado ____________________ 56

TABELA 5.3 Composio granulomtrica do agregado mido _____________________ 57

TABELA A2.1 Resistncia trao dos modelos ensaiados no estudo preliminar______ 123

TABELA A2.2 Resistncia caracterstica compresso das concretagens ___________ 123

TABELA A2.3 Resistncia trao do lote I para os modelos no reforados ________ 123

TABELA A2.4 Resistncia trao do lote I para os modelos reforados____________ 124

TABELA A2.5 Resistncia trao do lote II para os modelos no reforados________ 124

TABELA A2.6 Resistncia trao do lote II para os modelos reforados ___________ 124

TABELA A2.7 Resistncia trao dos modelos ensaiados no estudo complementar___ 125


14/140

xiv

RESUMO

Investigao dos Efeitos de Temperaturas Elevadas

em Reforos Estruturais com Tecidos de Fibra de Carbono

A necessidade cada vez maior de efetuar a reabilitao de estruturas que apresentam

manifestaes patolgicas faz com que os profissionais da rea busquem continuamente

aperfeioar os meios tradicionais utilizados para este fim e investigar novos materiais que

apresentem vantagens tcnicas e econmicas. A utilizao de tecidos de fibra de carbono para

reabilitao ou reforo de estruturas de concreto armado apresenta-se como uma nova

alternativa que tem despertado grande interesse tanto no meio cientfico quanto no meio

profissional, justificando-se o seu estudo. A presente pesquisa investiga a sanidade do reforo

quando submetido a elevadas temperaturas, uma vez que o risco de perda da integridade

durante um incndio constitui uma das principais preocupaes no que se refere a esta nova

tcnica, pois a aderncia do tecido ao substrato realizada com adesivo epxi, altamente

vulnervel ao efeito do calor. A degradao em termos de perda de resistncia do reforo

avaliada para temperaturas variando de 80 C 240 C e tempos de exposio de 30 120

min. Protees passivas com argamassa de revestimento e gesso aplicadas sobre a matriz de

epxi, como forma de atenuar a degradao do polmero, so tambm investigadas. Pesquisa-

se vrias combinaes destas variveis e os resultados indicam que o adesivo epxi apresenta

um processo de volatilizao crescente com o aumento da temperatura, comprometendo a

eficcia da tcnica de reforo; no entanto, a aplicao de revestimentos incombustveis eisolantes sobre os elementos reforados retarda este fenmeno. O estabelecimento do que se

constitui em boa tcnica para a aplicao de reforo com tecidos de fibra de carbono de vital

importncia para evitar o colapso de elementos estruturais reforados ou, ao menos, garantir

estanqueidade e isolamento dos mesmos por um intervalo de tempo suficiente que possibilite

a retirada dos ocupantes e as operaes de combate ao incndio em condies de segurana.


15/140

xv

ABSTRACT

Investigation of Technological Aspects of the

Use of Carbon Fiber Bonded Reinforcement Sheets

The use of carbon fiber sheets for the rehabilitation or reinforced concrete structures is

an attractive alternative that has been attracting great interest from the scientific and technical

community, justifying the present study. The proposed research aims to investigate the sanity

of carbon-fiber reinforced elements when submitted to high temperatures, contributing to

evaluate the risk of integrity loss during a fire, which constitutes one of the main concerns

raised about this new technique. This results from the fact that the adherence of the carbon-

fiber sheets in the concrete is accomplished by means of an epoxy adhesive, substance highly

vulnerable to the effect of heat. In this work the heat degradation of these composite

materials, measured in terms of the loss of flexural resistance of reinforced beams, is

evaluated for temperatures varying from 80 C to 240 C and times of exposure varying from

30 to 120 min. Passive protections with cement mortar and gypsum were also tested, aiming

at reducing the degradation of the epoxy polymer. Specimens exposed to various

combinations of these variables were tested and the results have shown that the epoxy

adhesive presents an increasing tendency to volatilization with temperature, and that this

phenomenon can seriously affect the efficiency of the repair technique. However, the use of

passive protection in the form of incombustible and thermo-insulating revetments has been

able to retard the degradation process. The definition of an adequate technique for applying

this kind of reinforcement is vital to avoid the collapse of structural elements during a fire. It

is important to highlight that in major conflagrations even the protection can not prevent

totally the heat from reaching the element but at least it will slow down degradation for a

period of time sufficient to allow the evacuation of the occupants and the onset of firefighting

operations.


16/140

1

Captulo 1

INTRODUO

Neste captulo apresentado o tema de estudo desenvolvido na presente pesquisa e so

discutidas as razes que motivaram a escolha do mesmo. So analisados ainda os objetivos,

hipteses e limitaes do estudo e detalha a estrutura da dissertao.

1.1 CONSIDERAES INICIAIS

Como nos demonstra e comprova a cincia, o homem, desde a sua origem, encontra-

se empenhado na conquista e domnio da natureza, no sentido de torn-la mais acessvel ao

uso pelo ser humano e mais segura como meio ambiente de vida [Ruiz, 1976].

A matria-prima utilizada na construo sempre foi um fator de grande importncia;

na sociedade humana, as civilizaes primitivas utilizavam os materiais como eram

encontrados na natureza, sem qualquer tipo de beneficiamento. Com o passar do tempo, o

Homem aprendeu a model-los e adapt-los s suas necessidades. Os materiais que se

mostraram mais adequados s necessidades humanas e que predominaram nas construesprimitivas foram a pedra, a madeira e o barro. Os metais, couros e fibras vegetais foram

utilizados apenas ocasionalmente.

As exigncias da humanidade em relao s suas habitaes foram aumentando a

medida que o tempo passava, gerando demanda por materiais com maior resistncia, maior

durabilidade e melhor aparncia, em relao aos at ento empregados. Neste cenrio, no final

do sculo passado, surgiu o concreto armado, material trabalhvel como o barro, resistente

como a pedra e capaz de vencer grandes vos [Veroza, 1987].


17/140

2

Por este conjunto de qualidades, o concreto logo tornou-se um dos materiais mais

empregados pela indstria da construo civil. Um dos principais motivos para esta

preferncia adveio do fato de que o mesmo foi tradicionalmente considerado como um

material de alta durabilidade. Entretanto, inmeras construes de concreto, especialmente

nos ltimos 20 anos, apresentaram manifestaes patolgicas em intensidade e incidncia

significativas, contrariando esta expectativa.

Este desempenho abaixo do esperado foi, principalmente, resultado de lacunas no

conhecimento sobre o desempenho do material e de sua correlao com o meio ambiente. Este

problema foi agravado, em muitos casos, porque as estruturas em questo no receberam uma

manuteno sistemtica e programada. Adicionalmente, algumas estruturas simplesmente no

foram construdas com a qualidade necessria. O quadro scio-econmico atual dos pases emdesenvolvimento impe que as edificaes sejam construdas com velocidades cada vez

maiores, colaborando para que ocorra a falta de rigor na qualidade dos materiais e servios

empregados [Thomaz, 1989].

Os fatores enumerados acima acabam por gerar vrios problemas patolgicos. Em

alguns casos, estes problemas acarretam apenas o comprometimento de aspectos estticos,

mas, em outros, sua presena pode ocasionar uma reduo significativa na capacidade

resistente do elemento estrutural. Inclusive, em situaes crticas, pode-se chegar ao colapso

parcial ou total da estrutura tendo em vista que os elementos estruturais de uma edificao so

responsveis pela absoro dos esforos, empuxos e cargas atuantes, bem como pela sua

conduo s fundaes e ao terreno circundante atravs de diferentes caminhos [Cnovas,

1988].

A necessidade de prevenir estas ocorrncias crticas e tratar a abundncia de

problemas existentes tem incentivado o desenvolvimento da rea de Terapia das Construes,a qual ocupa-se do restabelecimento das condies mnimas de segurana e utilizao de uma

estrutura deteriorada, atravs da recuperao parcial ou total das peas comprometidas.

Segundo Helene [1992], as atividades teraputicas podem ser divididas em trs

classes bsicas: reparo, onde so solucionados defeitos de pequeno porte na estrutura;

recuperao, onde restabelecida a capacidade resistente original do elemento estrutural;

reforo, onde a capacidade resistente do elemento estrutural majorada em relao original.


18/140

3

Dentre as atividades compreendidas no mbito da terapia das construes, o estudo de

tcnicas de reforo constitui-se em um tpico vital. O presente trabalho visa discutir certos

parmetros fundamentais para o desempenho da tcnica de reforo de estruturas atravs da

aplicao externa de elementos compsitos constitudos por fibra carbono e adesivo epxi. A

importncia deste tipo de estudo salientada no prximo item.

1.2 JUSTIFICATIVA

Um aspecto importante a controlar durante as operaes de recuperao e reforo de

estruturas consiste na adequao dos materiais utilizados, j que a correta seleo dos mesmos

colabora para garantir o desempenho almejado e evitar o surgimento prematuro de novos

sintomas patolgicos. De fato, segundo Souza & Ripper [1998], a escolha apropriada dos

materiais um dos fatores principais para que um trabalho de reforo ou recuperao de uma

dada estrutura de concreto tenha sucesso, alm do perfeito conhecimento das caractersticas

da tcnica de reforo ou recuperao a ser utilizada.

Este requerimento torna-se uma preocupao atual, tendo em vista que vrias tcnicas

inovadoras para a recuperao ou reforo de estruturas esto sendo desenvolvidas, o quedemanda a realizao de pesquisas com esses novos materiais. As pesquisas visam verificar o

comportamento dos novos materiais frente as mais diversas situaes, com o objetivo de

determinar as suas propriedades e os seus aspectos positivos e negativos, garantindo a sua

eficcia em todas as situaes que por ventura se fizerem necessrias.

Dentre os novos materiais que esto disponveis no mercado, tm se destacado as

fibras de carbono, um material largamente utilizado em solues de reforo de alto

desempenho, particularmente na indstria automobilstica, aeronutica, naval e aeroespacial.

A fibra normalmente utilizada envolta por adesivo epxi, ou seja, como elemento de reforo

resistente trao em uma matriz polimrica. Esta combinao normalmente denominada de

compsito, como vai ser explicado em maiores detalhes no captulo 2. Na rea da construo

civil, os compsitos de fibra de carbono passaram a ser empregados recentemente no reforo

de estruturas de concreto armado, por tratar-se de um produto de elevada resistncia trao,

baixo peso, fcil aplicao e que no acarreta problemas de durabilidade como os que hoje

so associados s armaduras tradicionais [Souza & Ripper,1998].


19/140

4

Apesar destas vantagens, h algumas incertezas referentes ao desempenho do reforo

em determinadas situaes. De acordo com a literatura corrente, a mais perigosa para a

sanidade do mesmo seria a exposio do adesivo a elevadas temperaturas, fato que pode

ocasionar a degradao do compsito.

Isto particularmente importante durante incndios, quando a estrutura e outros

elementos da construo absorvem grandes quantidades de calor. A temperatura pode

alcanar facilmente 250 C em incndios domsticos, 800 C em sinistros de maiores

propores e 1100 C em grandes desastres. O calor gerado afeta os materiais, provocando a

combusto espontnea de alguns deles e a deformao e perda de resistncia de outros

[Bayon, 1978].

Durante um incndio prolongado, por exemplo, pode ocorrer uma perda significativa

da resistncia do concreto pois a estrutura e outros elementos da construo absorvem calor.

Esta absoro se traduz em expanso trmica diferenciada entre a massa de concreto e o ao,

prejudicando a aderncia e originando tenses internas que levam o concreto a se desagregar,

expondo as armaduras diretamente ao fogo, o que pode levar as mesmas ao escoamento

[Souza & Ripper, 1998].

Formulaes epxi, em especial, apresentam um comportamento delicado frente aofogo pois o adesivo epxi comea a sofrer efeitos de temperaturas elevadas a partir de 80 C,

podendo atingir volatilizao completa aos 300 C. Em condies de incndio, esta

propriedade pode comprometer a sanidade de tcnicas de reforo com elementos compsitos

onde um dos constituintes adesivo epxi, pois a possvel volatilizao do adesivo e a

conseqente reduo na capacidade resistente, poderia levar a perda do reforo e ao colapso

da estrutura [Campagnolo & Silva Filho, 1989].

Devido possvel exposio ao fogo de elementos reforados com materiais

compsitos, o efeito de temperaturas elevadas sobre a fibra de carbono, bem como o

comportamento do adesivo utilizado para a colagem da mesma ao substrato, requerem

investigao. Protees ao fogo tambm devem ser identificadas a fim de conferir segurana

s estruturas reforadas, evitando-se o colapso das mesmas, como recomenda a norma ACI

440R - "State of the art report on fiber reinforced plastic reinforcement for concrete

structures" [ACI, 1996].


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As dvidas existentes sobre o desempenho de compsitos com fibra de carbono frente

a elevadas temperaturas justificam o desenvolvimento da presente pesquisa, visto que os

conhecimentos nesta situao especfica so extremamente escassos, gerando uma carncia de

referncias bibliogrficas relacionadas ao assunto, conforme ser enfatizado no item 1.5.

De acordo com Petrucci [1982], o rpido avano da tecnologia torna fundamental o

desenvolvimento de pesquisas voltadas para o entendimento do comportamento sistmico dos

materiais utilizados nas edificaes, com o intuito de determinar suas propriedades, identificar

vantagens e reconhecer eventuais deficincias, buscando o aprimoramento de tcnicas

construtivas tradicionais e o desenvolvimento de novas tcnicas a fim de melhorar a qualidade

e o conforto oferecido aos usurios e possibilitar aos engenheiros a escolha das melhores

alternativas para cada finalidade, sob o ponto de vista tcnico e econmico. As hipteses e osobjetivos definidos para a presente pesquisa encontram-se apresentados no prximo item.

1.3 HIPTESES

As hipteses que sustentam esta pesquisa so as seguintes:

Elevadas temperaturas desencadeiam um processo de volatilizao do adesivo

epxi utilizado para o reforo de estruturas com compsito de fibra de carbono, ocasionando

uma perda gradativa da capacidade resistente do mesmo;

A execuo de proteo passiva sobre o reforo com fibra de carbono colabora

para reduzir o gradiente de temperatura a que o adesivo epxi estar submetido e,

conseqentemente, melhora o desempenho do reforo quanto sua capacidade de carga,

aumentando o tempo admissvel de exposio ao calor.

1.4 OBJETIVOS

Considerando o exposto no item anterior, pode-se estabelecer os objetivos desta

pesquisa como:


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1.4.1 Objetivo Especfico

Avaliar o comportamento, expresso em termos da resistncia trao na flexo,

de reforos estruturais com tecidos de fibra de carbono impregnados com adesivo epxi

quando submetidos ao de elevadas temperaturas.

1.4.2 Objetivos Secundrios

Avaliar a correlao entre diferentes patamares de temperatura e a degradao

sofrida pelo compsito;

Avaliar a influncia da manuteno de temperaturas elevadas ao longo do tempo

no que se refere ao desempenho do reforo;

Avaliar, comparativamente, a eficincia de protees passivas, com argamassa de

revestimento e gesso, aplicadas sobre os tecidos de fibra de carbono no tocante ao

desempenho do reforo.

1.5 LIMITAES DO ESTUDO

Como discutido no item 1.2, fundamental obter o domnio das diversas propriedades

de todos os novos materiais que esto sendo lanados no mercado, uma vez que dever dos

pesquisadores e fabricantes disponibilizar produtos que no venham a acarretar problemas

futuros ao invs de oferecer solues, como seria de se esperar. O presente estudo est

direcionado a incrementar o entendimento sobre o comportamento dos reforos com tecidos

de fibra de carbono quando sujeitos a elevadas temperaturas.

A utilizao de materiais compsitos para reforo estrutural comeou a ser alvo dos

pesquisadores em meados da dcada de 80. Mais especificamente, a utilizao de tecidos de

fibra de carbono para reforo de estruturas se popularizou no incio da dcada de 90, como

ser discutido no captulo 2. Apesar das inmeras pesquisas relacionadas a esta nova tcnica

que esto em desenvolvimento, este material extremamente novo e com propriedades pouco

conhecidas pela comunidade cientfica [Emmons et al, 1998b]. Particularmente em relao ao

desempenho diante de elevadas temperaturas, este trabalho inovador, existindo, at o

momento, poucos pesquisadores ligados ao assunto, entre os quais referencia-se Meier [1997],Abdalla & Elbadry [1997] e Crea et al [1997].


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Em decorrncia do exposto acima, as referncias bibliogrfica relacionadas a este tema

so extremamente escassas e ainda no existe uma normalizao especfica para este fim. Este

foi um dos principais fatores condicionantes do estudo realizado. Tornou-se necessrio, por

exemplo, realizar um estudo preliminar destinado a fornecer uma noo do comportamento de

algumas das variveis envolvidas nesta pesquisa frente s situaes a que seriam submetidos

os corpos de prova, tendo em vista que no havia dados pertinentes disponveis na literatura.

O grande nmero de incertezas sobre o comportamento das variveis de estudo

estimulou, at mesmo, a realizao de um estudo complementar destinado esclarecer alguns

dos resultados obtidos no estudo principal e aprofundar o conhecimento na rea. Isto

demonstra que o presente estudo deve ser encarado como uma primeira incurso no tema e

que estudos complementares sero necessrios para esclarecer aspectos adicionais de grandeimportncia.

Outro aspecto a considerar est relacionado forma de exposio dos corpos de prova

ao calor; a mesma foi realizada atravs de fornos com grande capacidade, visto que a

simulao de um incndio em condies reais um fenmeno muito complexo devido ao

grande nmero de variveis envolvidas e considerando a infra-estrutura laboratorial

disponvel no momento.

Aliado a estes fatores, ressalta-se que os resultados obtidos esto condicionados ao

concreto e a geometria dos corpos de prova utilizados, podendo haver alguma variao no

comportamento em situaes reais.

1.6 ESTRUTURA DA DISSERTAO

A presente dissertao pode ser dividida em duas partes distintas. Na primeira, que

inclui os captulos 1 3, realizada a fundamentao terica a respeito do problema que se

pretende investigar, comeando com a apresentao do problema de pesquisa, da tcnica de

reforo com fibra de carbono e prosseguindo com a abordagem dos problemas que elevadas

temperaturas ocasionam sobre as estruturas em geral e nos reforos em particular. So ainda

discutidas algumas tcnicas de proteo passiva que poderiam ser utilizadas para amenizar o

problema, enfatizando a proteo com gesso por tratar-se de uma das tcnicas escolhidas paraser avaliada nesta pesquisa.


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A segunda parte preocupa-se com o programa experimental e engloba os captulos 4 a

7, onde so apresentados o escopo dos ensaios que foram realizados, os procedimentos

adotados para a confeco dos corpos de prova, a anlise dos resultados obtidos e as

concluses e sugestes para trabalhos futuros, respectivamente.

O contedo de cada captulo ser discutido de uma maneira mais detalhada abaixo.

O Captulo 1 introduz o problema em questo de forma genrica, justificando a

relevncia do estudo e definindo os objetivos e hipteses da pesquisa; ainda, faz meno s

limitaes do trabalho e estrutura da dissertao.

O Captulo 2 est relacionado ao reforo de estruturas de concreto armado;

inicialmente apresentam-se os motivos que tornam necessrios trabalhos de recuperao e

reforo de estruturas e, aps, introduz-se a tcnica de reforo com tecidos de fibra de carbono,

sendo destacados o seu princpio de funcionamento, as propriedades dos materiais

constituintes, as vantagens e limitaes do seu emprego, bem como apresentadas algumas

pesquisas relacionadas a esta tcnica e alguns exemplos onde utilizaram-se compsitos de

fibra de carbono para o reforo estrutural.

O Captulo 3 est diretamente relacionado ao de temperaturas elevadas.

Primeiramente, apresenta-se o fenmeno da combusto de uma forma geral e os efeitos que

temperaturas elevadas podem ocasionar em elementos estruturais, bem como as possveis

conseqncias destas temperaturas em reforos com compsitos de fibra de carbono. Na

seqncia, discutem-se algumas protees passivas que poderiam ser utilizadas na tentativa de

atenuar os efeitos nocivos da temperatura sobre o reforo.

O Captulo 4 preocupa-se com o escopo do programa experimental desenvolvido. O

mesmo foi dividido em estudo preliminar, onde apresentam-se os ensaios realizados paraadquirir conhecimentos relativos ao desempenho de algumas das variveis da pesquisa; etapa

principal, onde destaca-se os parmetros de controle dos ensaios e as variveis a serem

estudadas na pesquisa; e estudos complementares, onde discute-se alguns ensaios especficos

realizados para investigar pontos que se mostraram significativos ou para esclarecer

tendncias que no ficaram perfeitamente esclarecidos na etapa principal.


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O Captulo 5 apresenta os procedimentos adotados para a confeco dos corpos de

prova, aplicao do reforo com tecido de fibra de carbono, execuo da proteo passiva,

exposio dos modelos a elevadas temperaturas, metodologia de ensaio e confeco das

amostras para o estudo complementar.

O Captulo 6 apresenta uma anlise dos resultados obtidos nesta pesquisa.

Primeiramente, discute-se os resultados de uma anlise estatstica efetuada com os valores

obtidos nos ensaios e, em seguida, apresentam-se modelos matemticos formulados com

auxlio de regresses lineares, tendo-se como base os valores numricos obtidos nos ensaios.

Estes modelos tm por objetivo indicar o comportamento terico dos corpos de prova,

permitindo a comparao e a validao dos resultados experimentais.

O Captulo 7 contm as concluses decorrentes da realizao desta pesquisa, bem

como algumas recomendaes e sugestes para futuros trabalhos. No mesmo, procede-se a

avaliao dos objetivos iniciais em relao aos alcanados na concluso do trabalho.

O Anexo 1 apresenta a matriz experimental dos ensaios realizados.

O Anexo 2 apresenta os resultados individuais dos ensaios realizados.


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Captulo 2

REFOROS COM TECIDOS

DE FIBRA DE CARBONO

Como discutido no captulo 1, os tecidos de fibra de carbono esto sendo utilizados

pela indstria da construo civil como uma matria prima para a nova tecnologia de

formao de compsitos destinados a reabilitao e reforo de estruturas deterioradas.

O principal interesse desta dissertao avaliar o comportamento deste sistema de

reforo quando o mesmo submetido ao de elevadas temperaturas. Antes disso, neste

captulo, sero apresentadas, resumidamente, as principais caractersticas desta tcnica dereforo, discutindo-se o seu princpio de funcionamento, vantagens e desvantagens e algumas

investigaes realizadas por pesquisadores sobre a mesma. Ainda, exemplos de aplicao e os

principais problemas referentes a esta tcnica sero examinados.


O futuro e a continuidade do crescimento econmico de uma nao esto diretamente

relacionados resistncia e confiabilidade da sua infra-estrutura. Portanto, o desafio lanado

indstria da construo civil consiste em manter esta infra-estrutura frente s enormes

restries financeiras nos dias atuais [Emmons et al, 1998a].

Segundo Triantafillou [1997], muitas das estruturas existentes tem sofrido com efeitos

acumulados provenientes da m execuo ou emprego de materiais inadequados, degradaes

provocadas pelo ambiente, abalos ssmicos e recalques das fundaes, fazendo com que asmesmas estejam deficientes em termos de segurana estrutural.


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Aliado a estes fatos, alteraes no uso a que se destinam e a necessidade de adequao

s normas, cada vez mais rgidas, referentes segurana contra sismos, acaba por resultar em

estruturas que necessitam ter a sua capacidade de carga restabelecida ou majorada. Na

eventualidade de ocorrncia destes problemas, possvel que haja a necessidade do

restabelecimento das suas condies de segurana; fato que pode ser conseguido atravs da

execuo de reforos estruturais [Campagnolo et al, 1999].

De acordo com Souza & Ripper [1998], vrios so os motivos que podem levar

necessidade de execuo de trabalhos de recuperao e reforo em estruturas de concreto

armado, dentre os quais destacam-se:

Correo de falhas de projeto oriundas da deficincia no clculo estrutural, falta

de interao entre os projetos, especificao inadequada dos materiais e falha ou erro no

detalhamento;

Correo de falhas de execuo provenientes da capacitao profissional

deficiente, da inexistncia de controle na qualidade de execuo, da m qualidade dos

materiais empregados, da irresponsabilidade tcnica e, at mesmo, de sabotagem;

Aumento da capacidade portante da estrutura em funo de modificaes no uso

da edificao em relao ao originalmente projetado;

Recuperao da capacidade portante da estrutura diminuda em virtude de

acidentes (choques, incndios, etc), do desgaste natural, da deteriorao acelerada e/ou da

modificao na concepo estrutural, como, por exemplo, o corte de uma viga por

necessidade arquitetnica ou de utilizao.

A execuo de reforos estruturais tornou-se uma alternativa empregada em grande

escala na reabilitao de estruturas que apresentam manifestaes patolgicas, pois evita

demolies desnecessrias e reduz o custo final do servio. No entanto, a execuo de

reforos estruturais durveis no se resume a uma frmula nica ou modelo que pode ser

facilmente especificado, aprendido e resolvido. Pelo contrrio, constitui-se em um sistema

complexo, onde um dos principais requisitos que a unio entre o elemento estrutural e o

material utilizado para o reforo tenha a habilidade de funcionar como um todo, como um

sistema integrado [Emmons et al, 1998a].

Um dos problemas crticos deste processo que as solues de reforo adotadas, emmuitos casos, consistem em tcnicas com pouco respaldo cientfico. Em outros casos,


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demolies injustificadas so recomendadas, as quais poderiam ser evitadas se fossem

empregados os diversos mtodos de recuperao e reforo que esto sendo ou j foram

desenvolvidos para esta finalidade; nenhum destes tipos de postura justificvel diante da

evoluo da tcnica na rea da Terapia das Construes ocorrida nos ltimos anos.

Atualmente, vrias tcnicas de reforo esto sendo empregadas para incrementar a

capacidade portante e/ou a ductilidade de estruturas de concreto armado. De acordo com a

modalidade escolhida, o reforo poder ser executado na parte interna ou externa da estrutura.

As realizadas na parte interna so extremamente invasivas, onerosas e de difcil execuo. As

realizadas na parte externa so menos invasivas, pois consistem em aplicar o reforo na

superfcie externa do elemento estrutural. As tcnicas mais usuais so a adio de uma nova

armadura ao elemento danificado e subseqente concretagem, a colagem de chapas de ao oua colagem de compsitos polimricos estruturais [Robery & Innes, 1997].

Em particular, existe um grande entusiasmo e expectativa em relao ao uso de

polmeros de fibra de carbonos (CFRP) na construo civil. Acredita-se que eles possam vir a

ser a maior revoluo em termos de materiais utilizados para reforo neste novo sculo.

Segundo Robery & Innes [1997], existem atualmente trs sistemas de reforo com este tipo de

material, os quais esto apresentados abaixo:

Reforo com chapas pultrudadas: consiste em chapas de fibra de carbono

impregnadas com adesivo epxi e que apresentam elevada resistncia. O reforo realizado

atravs da colagem das mesmas na superfcie do elemento estrutural (Figura 2.1);

FIGURA 2.1 Sistema de reforo com chapas pultrudadas


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Reforo com fios enrolados sob tenso: consiste em filamentos de fibra de

carbono colados na superfcie do elemento estrutural ou enrolados a seco e, aps, curados a

quente (Figura 2.2);

FIGURA 2.2 Sistema de reforo com fios enrolados sob tenso

Reforo com tecidos pr-impregnados: consiste em filamentos de fibra de carbono

previamente alinhados e agrupados em forma de um tecido que so colados superfcie do

elemento estrutural com adesivo epxi (Figura 2.3).

FIGURA 2.3 Sistema de reforo com tecidos de fibra de carbono

No prximo item, sero discutidos os princpios bsicos da tcnica utilizando tecidos

de fibra de carbono, visto que a mesma ser objeto de estudo nesta pesquisa.


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2.2 A TCNICA DE REFORO COM TECIDOS DE FIBRA DE CARBONO

Os compsitos polimricos estruturais permaneceram durante dcadas com o seu uso

restrito a alguns setores especficos da indstria, tais como na rea de msseis, foguetes e

aeronaves de geometria complexas. Atualmente, setores da indstria moderna tm ampliado a

sua utilizao, com um crescimento no uso de 5% ao ano. Na construo civil, tem se

destacado o uso de compsitos de fibra de carbono para a recuperao e reforo de estruturas

de concreto danificadas [Rezende, 2000]. Nesta rea, os compsitos tm se popularizado

como armaduras de reforo em elementos fletidos, especialmente em vigas. Os princpios

bsicos de funcionamento desta tcnica de reforo encontram-se descritos no prximo item.

2.2.1 Princpio Bsico de Funcionamento

O sistema de reforo com tecidos de fibra de carbono surgiu da conjugao de

esforos entre entidades pblicas e privadas japonesas. A inteno era reparar as estruturas

existentes, em particular as estruturas do sistema virio, aps a ocorrncia do sismo de Kobe,

em 1995. O sistema bsico para a modificao e melhoria do comportamento das construes

existentes, pelo reforo com tecido de fibras de carbono, era orientado no sentido do aumentoda capacidade resistente das peas, quer quanto flexo (principalmente lajes e vigas), quer

quanto ao reforo transversal (para pilares, em especial); hoje, a orientao o aumento da

ductilidade das estruturas reforadas. A tecnologia se popularizou devido constante ameaa

de um violento sismo no distrito de Kanto, que inclui a cidade de Tquio [Souza & Ripper,

1998].

O reforo de elementos estruturais, com a finalidade de aumentar a ductilidade e/ou a

capacidade de carga por intermdio de materiais compsitos, pode ser realizado atravs da

aplicao de tecidos flexveis pr-impregnados, onde feixes de filamento de fibras de carbono

so agrupados de forma contnua, alinhados em uma nica direo e aderidos a uma folha de

suporte contendo quantidades muito pequenas de adesivo epxi. O material combinado

assume espessuras da ordem de dcimos de milmetros e tem o aspecto de um tecido,

permitindo o seu manuseio de forma adequada.

O elemento compsito formado pela aplicao direta do tecido ao concreto,previamente impregnado com um adesivo primrio ou primer (adesivo epoxdico muito

fludo). A colagem garantida pela formao do elemento compsito quando da aplicao de


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uma fina camada de adesivo epxi que serve de ponte de aderncia para a fixao do tecido e

que envolve as fibras de carbono, criando uma matriz altamente resistente (Figura 2.4).

Entende-se por elemento compsito a combinao de duas ou mais fases constituintes

que interagem funcionando como um elemento nico; no caso dos reforos estruturais, uma

das fases a fibra de carbono, responsvel pela absoro das tenses impostas ao reforo e a

outra o adesivo, responsvel por manter as fibras orientadas e aderidas ao substrato, bem

como evitar o abraso entre as mesmas durante os ciclos de carregamento [Jang, 1996].

FIGURA 2.4 Esquema da tcnica de reforo

Poderia-se tambm denominar de compsito o elemento reforado como um todo, isto

, uma viga de concreto (composto por matriz cimentcia e agregado) na qual est imersa uma

armadura de ao e a qual foram aderidas, atravs da utilizao de adesivo epxi, as fibras de

carbono. No entanto, neste trabalho, o termo compsito ser adotado para designar apenas o

conjunto formado pela unio de fibras de carbono e adesivo epxi. Cada uma destas fases

ser discutida com maior detalhe nos itens a seguir.

2.2.2 Propriedades dos Tecidos de Fibra de Carbono

A utilizao de tecidos de fibra de carbono em reforos estruturais decorrente de um

conjunto de propriedades favorveis que os mesmos apresentam, tais como elevada

resistncia trao, baixo peso, grande durabilidade, resistncia a ataques qumicos esuscetibilidade nula corroso [Norris et al, 1997; Triantafillou, 1997].

Os filamentos de fibra de carbono so os elementos responsveis pela absoro das

tenses de trao a que o reforo estar submetido [Jang, 1996]. Como eles esto alinhados

em uma nica direo, o elemento compsito ser relativamente rgido e resistente nesta

direo, porm na direo transversal, eles apresentam baixa resistncia e baixo mdulo de

elasticidade [Beber, 1999a].

Elemento estrutural

Adesivo e xi

Tecido de fibra de carbonoElemento compsito


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2.2.3 Propriedades do Adesivo Epxi

O adesivo utilizado na colagem dever ter resistncia e dureza adequadas para permitir

a transferncia do esforo de corte existente entre o concreto e o tecido de fibra de carbono.

Entretanto, o mesmo deve ser suficientemente elstico para prevenir a ruptura frgil nestainterface [Barton, 1997; Beber, 1999a].

O adesivo, alm de ser responsvel por manter o tecido colado ao substrato, forma

uma pelcula protetora entre as fibras e o ambiente, protegendo as mesmas contra umidade,

oxidao, abraso e agentes agressivos de natureza qumica e biolgica. O adesivo utilizado

na colagem responsvel pelas propriedades qumicas e trmicas do elemento compsito

[Jang, 1996; Beber, 1999a].

Entretanto, uma propriedade desfavorvel utilizao de adesivo epxi para a

formao do elemento compsito em reforos com tecidos de fibra de carbono relaciona-se

exposio do adesivo a elevadas temperaturas visto que os mesmos so formados por tomos

de carbono, hidrognio e nitrognio, ou seja, materiais orgnicos e altamente inflamveis.

Holloway [1993] salienta, no entanto, a possibilidade de incorporao de aditivos na

formulao do mesmo para alterar sua estrutura qumica, a fim de melhorar o seu

comportamento frente ao calor.

2.2.4 Propriedades dos Compsitos

As propriedades dos compsitos dependem das propriedades do tecido e do adesivo,

da proporo de cada um deles e da orientao dos feixes de fibra. Desta forma, as

propriedades dos compsitos so determinadas basicamente pelas propriedades e

caractersticas intrnsecas de cada componente, no sendo, entretanto, necessariamente iguais

s mesmas.

Por exemplo, na formao de um compsito, o tecido de fibra de carbono e o adesivo

interagem formando uma combinao na qual as tenses so redistribudas por todos os fios,

aumentando a sua eficincia. Esta distribuio de tenses est condicionada a natureza e a

eficcia da aderncia entre os componentes [Campagnolo et al, 1999].


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2.3 VANTAGENS DOS REFOROS COM FIBRA DE CARBONO

Segundo Robery & Innes [1997], a preferncia em reforar estruturas com tecidos de

fibra de carbono decorrente do aumento de desempenho e da grande durabilidade

proporcionados ao elemento estrutural, do custo de instalao ser relativamente inferior a

outras tcnicas tradicionais, do processo de instalao no ser invasivo, da facilidade e

velocidade na instalao.

A aceitao crescente desta nova tecnologia pode ser atribuda similaridade da

mesma com a tcnica de reforo atravs chapas de ao coladas, uma das tcnicas mais

empregadas para a recuperao ou reforo de elementos estruturais deteriorados [Campagnolo

et al, 1999].

Efetuando-se uma comparao entre os dois sistemas, a tcnica de reforo com chapa

de ao apresenta algumas desvantagens. A primeira est relacionada ao elevado peso prprio

do ao, gerando problemas com o manuseio dos elementos que, geralmente, possuem grandes

dimenses. Alm disso, existe uma certa dificuldade em fabricar chapas para o reforo de

elementos com formas complexas. Ainda, pode ocorrer corroso na interface entre o adesivo e

a chapa aps longos perodos de exposio, problema muito difcil de ser diagnosticado em

inspees de rotina, o que poderia comprometer perigosamente a aderncia entre os

elementos. Finalmente, com freqncia necessrio empregar um sistema de escoramento

especial para suportar o peso prprio das chapas durante a fixao das mesmas, o que

encarece os trabalhos [Meier, 1997; Neubauer & Rostsy, 1997b; Beber, 1999b].

Em termos econmicos, a tcnica de reforo com tecidos de fibra de carbono apresenta

um custo de material relativamente mais elevado em relao tcnica de reforo com chapas

de ao colada. No entanto, a facilidade na colagem dos tecidos e a reduzida necessidade de

manuteno permitem uma economia significativa em relao aos custos operacionais, mo

de obra e aos equipamentos requeridos para a aplicao do reforo [Shapira & Bank, 1997;

Robery & Innes, 1997]. Em um estudo comparativo entre os dois sistemas de reforo, foi

realizado um levantamento dos custos necessrios ao reforo de uma ponte com chapas de ao

e com chapas compsitas, sendo que os resultados demonstraram que o sistema com fibra de

carbono ofereceu uma reduo de 17,5% no custo geral do reforo [Emmons et al, 1998b].


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2.4 INVESTIGAES RELACIONADAS A REFOROS COM FIBRA DE CARBONO

A seguir, sero apresentadas algumas investigaes realizadas por pesquisadores

interessados em avaliar o comportamento de reforos com tecidos de fibra de carbono.

Meier e Kaiser foram os primeiros pesquisadores a avaliar o reforo de estruturas de

concreto armado com compsitos de fibra de carbono. Na ocasio, meados da dcada de 80,

foram reforadas vigas de concreto armado com chapas pultrudadas de fibra de carbono. O

adesivo utilizado para fixar o elemento compsito superfcie do concreto foi o mesmo que

era empregado em reforos com chapas de ao. Os resultados demonstraram um aumento

significativo na capacidade de carga e na rigidez das vigas reforadas. Quanto s fissuras,

estas ficaram melhor distribudas ao longo do comprimento da viga e tiveram as suasaberturas reduzidas [Hollaway & Leeming, 1999].

Ritchie et al [1991] investigaram o comportamento de vigas de concreto armado

reforadas com chapas de vidro, aramida e carbono. O objetivo deste estudo foi determinar o

incremento de resistncia e rigidez conferido aos elementos estruturais atravs do reforo com

materiais compsitos, observando o processo de formao das fissuras e registrando o seu

espaamento ao longo da viga. Os resultados indicaram um acrscimo considervel na

resistncia e rigidez dos elementos reforados e uma reduo na quantidade de fissuras.

Koga & Ohtsu [1997] realizaram um estudo detalhado a respeito dos aspectos

tecnolgicos referentes a diversos sistemas de reforo com fibra de carbono, devido

possibilidade de utilizao desta tcnica como medida preventiva aos danos causados a

estruturas de concreto armado por abalos ssmicos ou para o retroajuste de estruturas afetadas

pelos mesmos.

Norries et al [1997] investigaram o comportamento de vigas de concreto armado

reforadas flexo e ao cisalhamento. Avaliaram tambm, o comportamento de tecidos de

fibra de carbono fornecidos por trs fabricantes diferentes. Durante a colagem, os tecidos

foram orientados em diferentes direes. Os resultados indicaram que para as fibras dispostas

perpendicularmente em relao s fissuras, ocorreu um aumento significativo na rigidez e na

resistncia da viga, sendo que a ruptura ocorreu de forma frgil devido elevada concentrao

de tenses de cisalhamento nas regies dos apoios. Para as fibras posicionadas obliquamente

em relao s fissuras, observaram-se menores incrementos na resistncia e rigidez,entretanto, a ruptura ocorreu de forma mais dctil.


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Hutchinson et al [1997] reforaram ao cisalhamento vigas em escala reduzida,

representando as vigas de uma ponte, com tecidos de fibra de carbono fornecidos por trs

fabricantes diferentes. O motivo desta pesquisa foi a permisso, concedida pelo governo do

Canad, de aumento na carga transportada pelos caminhes daquele pas. Aps a anlise da

capacidade de carga das estruturas existentes, constatou-se a necessidade de reforar ao

cisalhamento algumas pontes que haviam sido construdas h 27 anos. Escolheu-se a tcnica

de reforo com tecido de fibra de carbono em funo da velocidade na execuo dos servios,

ocasionando uma menor interrupo no trfego de veculos. Os resultados indicaram que, para

reforos ao cisalhamento, a disposio diagonal dos tecidos foi mais eficiente que a

disposio horizontal ou vertical, reduzindo as solicitaes sobre os estribos para um mesmo

nvel de carregamento.

Em meados de 1997, a Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), por

intermdio do Laboratrio de Ensaios e Modelos Estruturais (LEME), iniciou um amplo

programa de pesquisa envolvendo a aplicao de compsitos de fibra de carbono na

reabilitao de estruturas de concreto.

Beber [1999a] avaliou o desempenho de vigas de concreto armado reforadas com

tecidos de fibra de carbono. O programa experimental contemplou a anlise de reforos com

um nmero varivel de camadas de tecido. Os resultados indicaram um incremento

significativo na carga de ruptura dos prottipos. Foi constatado que este incremento tende a

um limite, o qual est associado carga de ruptura por descolamento do tecido, s tenses de

cisalhamento suportadas pelo elemento estrutural e capacidade de deformao das

armaduras.

Dando continuidade a este amplo programa de pesquisa, vm-se desenvolvendo

tambm a aplicao de tecidos de fibra de carbono no reforo de elementos submetidos compresso axial, tais como pilares.

Ainda, a presente pesquisa se insere nesta linha e visa analisar os problemas

associados exposio dos reforos com tecidos de fibra de carbono a elevadas temperaturas

decorrentes da volatilizao do adesivo epxi da matriz do compsito, bem como avaliar o

comportamento de protees passivas aplicadas sobre o reforo com o intuito de minimizar os

danos gerados, como descrito no captulo 1. Os resultados deste programa experimental

encontram-se no captulo 6.


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2.5 EXEMPLOS DE UTILIZAO DE REFOROS COM FIBRA DE CARBONO

A ponte Ibach, na cidade de Luzerna, Sua, foi a primeira estrutura a ser reforada

com CFRP, em 1991. O motivo da execuo do reforo foi um acidente envolvendo os cabos

de protenso que resultou numa reduo da capacidade portante da estrutra [McKenna & Erki,

1994]. No perodo de 1991 a 1996, aproximadamente 17 ton de polmeros de fibra de carbono

foram utilizados para reforar estruturas na Sua [Meier, 1997].

Em Zurique, Sua, dois edifcios residenciais, com 60 anos de idade, foram

transformados em edifcios comerciais. Atravs da avaliao estrutural dos mesmos,

constatou-se a necessidade de realizar a substituio de alguns elementos estruturais que

estavam com um nvel de deteriorao muito elevado, assim como o reforo de outroselementos remanescentes. Desta forma, aplicaram-se chapas de fibra de carbono em paredes

de alvenaria, com a finalidade de restabelecer a sua capacidade portante [Schwegler, 1997].

Foi efetuada a recuperao de trs pontes de concreto armado com aproximadamente

70 anos de idade nas proximidades de Dresden, Alemanha. Estas pontes encontravam-se com

srios problemas em sua estrutura devido ausncia de manuteno, o que ocasionou a

deteriorao do concreto e levou corroso da armadura por ataque de cloretos. Utilizaram-se

chapas de fibra de carbono para restabelecer a capacidade portante da mesma. Como esta

tcnica de reforo no era normalizada pelas autoridades locais, ensaios em laboratrio foram

desenvolvidos com vigas de concreto armado reforadas e levadas at a ruptura, a fim de

fornecer parmetros para o dimensionamento do reforo [Neubauer & Rostsy, 1997a].

Especial destaque deve ser dado ao Japo devido a elevada quantidade de tecidos de

fibra de carbono empregado para a recuperao e reforo de estruturas. A ponte Hata recebeu

reforo a fim de suportar um momento fletor adicional causado pela ao do vento sobre o

seus guarda corpos, pois eles haviam sido aumentados. O deck da ponte Hiyoshikura

apresentava elevado nvel de fissurao em decorrncia da deformao excessiva das

armaduras. O reforo com tecidos de fibra de carbono permitiu redues entre 30 e 40% nas

deformaes desta armadura [Nanni, 1995].

Belo Horizonte foi a primeira cidade brasileira a utilizar tecidos de fibra de carbono para

o reforo de uma obra de arte. Os servios foram efetuados no viaduto Santa Tereza, em 1998.

A escolha desta tcnica foi motivada por aspectos estticos, uma vez que o viaduto eratombado pelo patrimnio histrico [Beber, 1999b].


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2.6 LIMITAES DA TCNICA

Uma das principais questes que limitam o uso da tcnica de colagem de tecidos de

fibra de carbono est relacionado com a aderncia e a ancoragem destas fibras ao concreto. O

ganho de resistncia atravs da execuo de reforo com tecidos de fibra de carbono

limitado, uma vez que novos tipos de falha surgem devido alta concentrao de tenses de

cisalhamento nas regies prximas aos apoios. Este fenmeno denominado peeling off e

ocasiona uma ruptura frgil e abrupta do reforo, pois acontece o descolamento na interface

entre o concreto e o reforo ou na interface entre a armadura longitudinal e o reforo

[Buyukozturk & Hearing, 1997; He et al, 1997; Beber, 1999a]. Entretanto, se medidas

adequadas para prover ancoragem adicional nos extremos do reforo forem empregadas, este

problema pode ser superado com sucesso, como indicam as pesquisas de Campagnolo et al

[1999].

Outra desvantagem decorre da falta de normalizao especfica que oriente o projeto e

a execuo do reforo com tecidos de fibra de carbono. Aliado a isto, existem limitaes

impostas por algumas formas geomtricas na sua aplicao [Emmons et al, 1998b].

Ainda, a excessiva absoro de umidade pela matriz do compsito pode resultar em

significante reduo na rigidez e tenso admissvel do reforo, pois produz alteraes nas

propriedades do adesivo, podendo ocasionar a formao de bolhas nos compsitos. Em

regies frias, os ciclos de gelo e degelo devem ser avaliados [ACI, 1996].

Finalmente, os elementos compsitos, ao serem expostos ao de elevadas

temperaturas e raios ultravioletas, ficam sujeitos a reaes qumicas na matriz do polmero

que causam a degradao de suas propriedades [ACI, 1996]. De acordo com Meier [1997], o

adesivo epxi utilizado para a colagem do tecido de fibra de carbono em estruturas, com o

objetivo de refor-las, comea a volatilizar quando o gradiente trmico incidente sobre o

mesmo ultrapassar determinado patamar. Como exposto no captulo 1, esta pesquisa visa

fornecer dados sobre a suscetibilidade do adesivo a altas temperaturas e a eficincia de

protees passivas. No prximo captulo, ser feita uma reviso do efeito de incndios em

materiais de construo em geral e em elementos reforados com tecidos de fibra de carbono,

em particular para subsidiar este estudo.


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Captulo 3

A AO DE TEMPERATURAS ELEVADAS

A questo das altas temperaturas e seus efeitos sobre os materiais de construo

fundamental nesta pesquisa, portanto, neste captulo, sero apresentados os princpios do

fenmeno da combusto e discutidas as possveis conseqncias que um incndio ocasiona

em elementos estruturais. Adicionalmente, sero abordadas algumas tcnicas de proteo

passiva utilizadas para proteger os sistemas de uma edificao, discutindo os seus princpios.


Por muitos e muitos sculos o fogo constituiu-se em um mistrio, sendo descoberto

provavelmente pelo homem das cavernas na Idade da Pedra, onde era utilizado para o

aquecimento do ambiente. Na Idade Mdia, os alquimistas o definiram como um elemento

bsico, juntamente com a terra, o ar e a gua, considerando-os indivisveis. Aps os

estudos de Lavoisier que se conheceu o fogo realmente, sabendo-se que no se tratava de

nenhuma fora misteriosa, como pensava o homem primitivo, nem de um elemento bsico e

indivisvel, como pensavam os alquimistas, mas sim de um fenmeno qumico denominado

combusto, que se caracteriza pela liberao de energia na forma de emisso de luz e

calor [Kerber, 1979].

O fogo, quando sob controle, de extrema necessidade. Contemporaneamente, o

mesmo usado na indstria, nos transportes, na produo de energia e em inmeras outras

necessidades indispensveis ao homem. No entanto, quando foge ao controle, transforma-se

num agente de grande poder destruidor. Este tipo de sinistro comumente denominado

incndio.


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Quando um incndio ocorre em uma edificao, os seus usurios ficam expostos a um

elevado risco de vida e a construo pode sofrer grandes danos estruturais. Os riscos de vida

comeam a se pronunciar em temperaturas relativamente baixas devido ao calor, aos gases

txicos e fumaa gerada na fase inicial do processo de queima. Ainda devem ser

consideradas as perdas patrimoniais decorrentes da destruio da edificao e da interrupo

das atividades nela exercidas, como salienta Gouvia [2000a].

Os incndios so influenciados por um grande nmero de parmetros, sendo muitos

destes conhecidos, pois se repetem e outros aleatrios, pois no se repetem. Desta forma, no

possvel determinar como, onde e com que severidade os incndios ocorrero, fazendo com

que cada um deles seja em si um fenmeno nico [Gouvia, 200b].

Para que se possa discutir os efeitos dos incndios nos materiais de construo, torna-

se necessrio, iniciar a discusso por uma reviso das caractersticas bsicas do fenmeno da

combusto, enfatizando quais os elementos essenciais ao processo de queima e descrevendo

as diversas fases do mesmo, como segue.

3.2 PRINCPIOS DO FENMENO DA COMBUSTO

Do ponto de vista fsico-qumico, um incndio uma reao de combusto que, uma

vez iniciada, ocorre em cadeia e de forma descontrolada at que pelo menos uma das

condies essenciais para que ela ocorra deixe de existir.

Combusto uma reao qumica de oxidao rpida entre o combustvel e o oxignio

(ar atmosfrico, carburente) acompanhado do desprendimento de calor (calor de combusto) e

luz (chama visvel), que podem ser considerados como a liberao da energia qumica latentedo combustvel [Kerber, 1979].

O mecanismo da reao de combusto , de modo simples, o seguinte: a fonte de calor

(fonte de ignio) provoca a decomposio qumica do material combustvel (pirlise), o qual

libera gases combustveis que reagem exotermicamente com o oxignio (chamas). O calor

liberado pela reao exotrmica inicial causa a pirlise dos outros materiais combustveis,

tornando-se uma reao em cadeia [Gouvia, 200b].


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Em relao ao seu desenvolvimento, a oxidao, de forma semelhante a outras reaes

qumicas, se processa a uma proporo que varia conforme a temperatura. medida que a

temperatura de uma substncia elevada, a taxa de oxidao aumentada, at que se atinge o

ponto em que o calor gerado mais rapidamente do que pode ser removido ou equilibrado no

ambiente. Prosseguindo o aquecimento, chega-se a uma temperatura em que o material

comea a liberar vapores que se incendeiam se houver uma fonte externa de calor. Neste

ponto, chamado de Ponto de Fulgor, as chamas no se mantm devido pequena quantidade

de vapores. Continuando o aquecimento, atinge-se uma temperatura em que os gases

desprendidos do material, ao entrarem em contato com uma fonte externa de calor, iniciam a

combusto e continuam a queimar sem o auxlio daquela fonte. Este ponto chamado de

Ponto de Combusto. Prosseguindo o aquecimento, atinge-se um ponto no qual o combustvel

exposto ao ar entra em combusto sem que haja fonte externa de calor. Este ponto chamado

dePonto de Ignio [Faillace, 1989].

O resultado da combusto a transformao do combustvel de origem em vrios

gases, deixando um resduo slido (cinzas), com caractersticas completamente diferentes da

substncia de origem.

3.2.1 Elementos Essenciais ao Fogo

De acordo com Kerber [1979], a combusto um fenmeno qumico e/ou uma reao

qumica; assim, para que ela ocorra necessitamos de no mnimo dois elementos que reajam

entre si, bem como uma condio que favorea tal reao. No caso da combusto, trs so os

elementos essenciais para que haja fogo, formando o chamado "tringulo do fogo".

A seguir descreve-se sucintamente cada um destes elementos:

a) Combustvel

o elemento que serve de campo de propagao e que alimenta o fogo e, com

pequenas excees, compreende todos os materiais que possamos imaginar. Os materiaisorgnicos so todos combustveis Quanto aos inorgnicos, nas condies normais, apenas

alguns so combustveis.

Combustvel + Fonte de Ignio (calor) + Comburente (oxignio)


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Os combustveis podem ser slidos, lquidos ou gasosos e a grande maioria precisa

passar pelo estado gasoso para ento se combinar com o oxignio (queimar). Submetidos ao

calor, os slidos e os lquidos combustveis transformam-se em gs para aps se inflamarem.

Como exceo, h o enxofre e os metais alcalinos (potssio, clcio, magnsio, etc), que

queimam diretamente no estado slido.

A velocidade de queima de um material combustvel depende de sua capacidade de

combinar com o oxignio sob a ao do calor e da sua fragmentao.

b) Fonte de Ignio (calor)

Forma de energia que eleva a temperatura gerada pela transformao de outra energia

atravs de processo fsico ou qumico. A fonte de ignio o elemento que serve para dar

incio ao incndio, que o mantm e o incentiva a progresso. Podem ser resultados de chamas

abertas, circuitos eltricos mal dimensionados ou outras fontes.

A procura das possveis fontes de calor que possam dar partida a um incndio constitui

uma das bases da preveno, pois conhecendo-as podemos tomar as medidas necessrias para

evitar um provvel incndio, como ser discutido no item 3.4.

c) Comburente (oxignio)

Um elemento que est presente em quase todas as combustes o chamado

comburente. Este elemento possibilita o desenvolvimento das chamas e intensifica a

combusto. O comburente mais comum o oxignio.

A atmosfera terrestre composta, em mdia, por 21% de oxignio, 78% de nitrognio

e 1% de outros gases. Em ambientes com esta composio aproximada do ar, a queima

desenvolve-se com velocidade e de maneira completa, notando-se a presena de chamas.

Contudo, a combusto consome oxignio do ar num processo contnuo e quando a

porcentagem de oxignio estiver situada na faixa de 8% a 16%, a queima torna-se mais lenta,

notando-se a formao de brasas e no mais de chamas. Quando o oxignio contido no ar do

ambiente estiver em concentrao inferior a 8%, no h mais combusto.

A reao em cadeia torna a queima auto-sustentvel pois, nesta condio, o calor

irradiado das chamas atinge o combustvel e o decompe em partculas menores que, por sua

vez, se combinam com o oxignio e queimam, irradiando outra vez calor para o combustvel,

formando um ciclo constante.


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3.2.2 Fases de um Incndio

Um incndio pode ser melhor entendido se conhecermos seus estgios de

desenvolvimento. De acordo com o Manual de Fundamentos de Bombeiros [?] um incndio

pode ser dividido em trs fases principais: fase inicial, queima livre e queima lenta. A seguirdiscute-se cada uma delas.

Fase Inicial

Nesta primeira fase, o oxignio no ar no est significativamente reduzido e o fogo

est produzindo vapor dgua (H2O), dixido de carbono (CO2), monxido de carbono (CO) e

outros gases. Grande parte do calor est sendo consumido no aquecimento dos combustveis e

a temperatura do ambiente neste estgio est pouco acima do normal. O calor est sendogerado e evoluir com o aumento do fogo. No h alteraes drsticas no ambiente, mas j h

indcios de calor, fumaa e danos causados pelas chamas.

Queima Livre

Durante esta fase, o ar rico em oxignio arrastado para dentro do ambiente pelo

efeito da conveco, isto , o ar quente se desloca para a parte superior do ambiente e sai do

mesmo, isto fora a entrada de ar fresco pelas aberturas nos pontos mais baixos do ambiente.

Os gases aquecidos espalham-se preenchendo o ambiente e, de cima para baixo,

foram o ar frio a permanecer junto ao solo. Eventualmente, os mesmos causam a ignio dos

combustveis nos nveis mais baixos do ambiente. Este ar aquecido uma das razes pelas

quais os bombeiros devem manter-se abaixados e usar equipamentos de proteo respiratria,

uma vez que a inspirao desse ar superaquecido pode queimar os pulmes. Neste momento,

a temperatura nas regies superiores (teto) pode exceder a 700C.

Durante a fase da queima livre, o fogo aquece gradualmente todos os combustveis do

ambiente. Quando determinados combustveis atingem seu ponto de ignio simultaneamente,

pode haver uma queima instantnea e concomitante desses produtos, o que provoca uma

exploso ambiental, ficando toda a rea envolvida pelas chamas. Este fenmeno comumente

chamado deFlashover.


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Queima Lenta

Como nas fases anteriores, o fogo continua a consumir oxignio at atingir um ponto

onde o comburente insuficiente para sustentar a combusto. Nesta fase, as chamas podem

deixar de existir se no houver ar suficiente para mant-las (na faixa de 0% a 8% de

oxignio). O fogo normalmente reduzido a brasas, o ambiente torna-se completamente

ocupado por fumaa densa e os gases se expandem.

Devido presso interna ser maior que a externa, os gases saem por todas as fendas

em forma de lufadas, que podem ser observadas em todos os pontos do ambiente. Esse valor

intenso reduz os combustveis a seus componentes bsicos, liberando vapores combustveis.

Durante o processo de queima lenta pode ocorrer o fenmeno denominado Backdraft,

que ocorre quando a combusto incompleta porque no h oxignio suficiente para sustentar

o fogo. Contudo, o calor da queima livre permanece e as partculas de carbono no queimadas

(bem como outros gases inflamveis, produtos da combusto) esto prontas para incendiar-se

rapidamente assim que o oxignio for suficiente. Se o ambiente for ventilado e aumentar o

teor de oxignio, este ambiente explodir.

Durante o combate aos incndios, a ventilao adequada permite que a fumaa e os

gases combustveis superaquecidos sejam retirados do ambiente. J uma ventilao

inadequada suprir abundantemente e perigosamente o local com o elemento que faltava, o

oxignio, podendo provocar a exploso ambiental caracterstica doBackdraft.

As condies a seguir podem indicar uma situao deBackdraft:

Fumaa sob presso num ambiente fechado;

Fumaa escura, tornando-se densa, mudando de cor (cinza e amarelada) e saindo

do ambiente em forma de lufadas;

Calor excessivo;

Pequenas chamas ou inexistncia destas;

Resduos de fumaa impregnando o vidro das janelas;

Pouco rudo;

Movimento de ar para o interior do ambiente (quando alguma abertura feita,ouve-se o ar assobiando ao passar pelas frestas).


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3.2.3 Classificao dos Incndios

Os incndios so classificados de acordo com os materiais neles envolvidos, bem

como a situao em que se encontram. Essa classificao feita para determinar o agente

extintor adequado para o tipo de incndio especfico, como ser discutido no item 3.4.

A classificao apresentada a seguir foi elaborada pela NFPA (National Fire

Protection Association), adotada pela IFSTA (International Fire Service Training Association)

e pelo Corpo de Bombeiros do Estado de So Paulo.

Incndio Classe A

Envolve a combusto de slidos comuns, tais como borracha, madeira, pano e papel.

caracterizado pelas cinzas e brasas que ficam como resduos e pela queima ser em funo do

seu volume, isto , a queima se d na superfcie e em profundidade.

Incndio Classe B

Envolve lquidos inflamveis, graxas e gases combustveis. caracterizado por no

deixar resduos e queimar apenas na superfcie exposta e no em profundidade.

Incndio Classe C

Envolve equipamentos energizados e caracteriza-se pelo risco de vida que oferece a

quem os combate.

Incndio Classe D

Envolve metais combustveis pirofricos (magnsio, selnio, antimnio, ltio, potssio,

alumnio fragmentado, zinco, titnio, sdio, zircnio). Caracteriza-se pela queima em altas

temperaturas e por reagir com os agentes extintores comuns (principalmente os que

contenham gua).

Tendo discutido a natureza geral do processo de combusto e apresentado como um

incndio se desenvolve, cabe agora examinar como os incndios afetam as estruturas civis. No

prximo item feita uma reviso dos efeitos de altas temperaturas em alguns dos principais

materiais de construo.


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3.3 EFEITOS DAS ALTAS TEMPERATURAS EM ELEMENTOS ESTRUTURAIS

A anlise do comportamento de uma edificao, quando submetida ao do fogo,

definida pela reao e resistncia s altas temperaturas por parte dos elementos da construo.

A reao ao fogo pode ser definida como a capacidade de um material em contribuir para o

desenvolvimento do incndio e dos seus subprodutos. J, a resistncia ao fogo, de acordo com

NBR 14432 Exigncias de resistncia ao fogo de elementos construtivos de edificaes -

Procedimento [ABNT, 2000], representa a capacidade de um componente se manter

inalterado, durante um certo perodo de tempo, de forma a garantir a segurana estrutural,

estanqueidade e isolamento. A norma prescreve que a resistncia ao fogo dos elementos

construtivos deve ser assegurada durante um tempo mnimo igual ao especificado em funo

da ocupao e da altura da edificao, expresso em termos de Tempo Requerido de

Resistncia ao Fogo (TRRF), como mostra a Quadro 3.1.

QUADRO 3.1 - Tempo requerido de resistncia ao fogo (TRRF)

Profundidade doSubsolo (m)

Altura da Edificao (m)OcupaoUso

Hs> 10 Hs10 H 6 6 < H 12 12< H 23 23 < H 30 H > 30Residencial 90 60 (30) 30 30 60 90 120Servios de

Hospedagem

90 60 30 60 (30) 60 90 120

ComercialVarejistas

90 60 60 (30) 60 (30) 60 90 120

ServiosProfissionais,Pessoais eTcnicos

90 60 (30) 30 60 (30) 60 90 120

Educacional eCultura Fsica

90 60 (30) 30 30 60 90 120

Locais deReunio de

Pblico90 60 60 (30) 60 60 90 120

ServiosAutomotivos 90 60 (30) 30 60 (30)/ 30 60 90 120 / 90

EstacionamentosAbertos

Lateralmente90 60 (30) 30 30 30 30 ---

Servios deSade e

Institucionais90 60 30 60 60 90 120

Industrial (I1) 90 60 (30) 30 30 60 90 120Industrial (I2) 120 90 60 (30) 60 (30) 90 (60) 120 (90) 120Depsitos (J1) 90 60 (30) 30 30 30 30 60Depsitos (J2) 120 90 60 60 90

(60) 120

(90) 120

Os tempos entre parnteses podem ser usados em edificaes nas quais os pavimentos acima do solo tenham reaindividual menor ou igual a 750 m2e em subsolos nos quais a rea individual dos pavimentos seja menor ouigual a 500 m2.


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De acordo com Souza & Ripper [1998], na primeira fase de um incndio e durante a

inflamao generalizada que se segue, o que interfere so as reaes ao fogo e os fenmenos

que as caracterizam, enquanto que, nas fases posteriores, a resistncia ao fogo que

desempenha o papel principal.

O desempenho de vigas, pilares, lajes e outros componentes estruturais da edificao,

em situaes de exposio ao fogo, so um assunto de vital importncia para que as

construes sejam consideradas seguras e para que as mesmas no se constituam em uma

ameaa s estruturas vizinhas ou s pessoas, como explica a norma ASTM E119 [ASTM,

1998].

Seguindo a filosofia do Quadro 3.1, os regulamentos que tratam do assunto geralmente

estabelecem tempos mnimos de resistncia ao fogo para os elementos estruturais; porm, na

maioria dos casos, estes tempos so definidos de modo essencialmente subjetivo, levando-se

em conta apenas a natureza da ocupao, a sua altura e a experincia de atendimentos de

ocorrncias dos corpos de bombeiros. No so considerados os efeitos das altas temperaturas

sobre os materiais de construo, pela falta de conhecimento na rea.

Estabelecer cientificamente a dependncia entre a estabilidade de um elemento

estrutural e o tempo de resistncia ao fogo uma tarefa muito complexa e, atualmente,constitui um tpico vital na rea de Engenharia de Incndio. Porm, no muito simples

determinar um procedimento adequado para analisar o desempenho de elementos estruturais

no decorrer do tempo em funo da exposio ao calor, pois vrios aspectos qumicos e

fsicos devem ser considerados [Crea et al, 1997]. Os principais efeitos sobre alguns materiais

so discutidos abaixo

3.3.1 Efeito de Altas Temperaturas sobre a Madeira e o Ao

tratado fogo chapa aço

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