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Estruturas de Concreto Armado Deterioradas por Incêndio - TCC da Graduação de Engenharia Civil.
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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];
: temperatura do concreto [].
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)];
: temperatura do concreto [].
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)];
: temperatura do concreto [].
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;
: temperatura do concreto [].
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