Engenheiro Civil : Eduardo de Aquino Gambale

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2 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Engenheiro Civil : Eduardo de Aquino Gambale Engenheiro civil, membro da equipe de Tecnologia de Concreto do Centro Tecnológico de Engenharia Civil da Eletrobrás Furnas, em Goiânia, com atuação na área de Tecnologia de Concreto, especialmente na Análise Térmica do Concreto Massa. Enxadrista e herpetologo amador Cérebro de Engenheiro e Coração de Biólogo

3 O fenômeno térmico do Concreto Massa Cathedral of Our Lady of the Angels Ponte no Rio Orinoco Venezuela Casa (cimento branco) México Goiânia GO 22/11/2017

4 4/62 Comportamento e desempenho térmico do concreto: Por que e quando se preocupar? Como evitar fissuras de origem térmica?

5 A reação de hidratação do cimento provoca, durante o endurecimento do concreto, variações dimensionais que, quando restritas, podem levar a fissuração do concreto. 5/62

6 Atuação internacional 6/62 Prestação de serviços em mais de 50 obras distribuídas pelos cinco continentes do planeta Portugal USA México Costa rica Panamá República dominicana Venezuela Argélia Iraque Irã China Colômbia Malásia Equador Angola Bolívia Itaipu Botswana Argentina Uruguai

7 7/62 Definição : Barragem, açude ou represa, é uma barreira artificial, feita em curso de água para a retenção de grandes quantidades de água. Ogiva Viga Munhão

8 8/62 Elementos de uma Usina Hidrelétrica

9 Tipos de Barragem Barragem de Gravidade 9/62

10 10/62 Tipos de Barragem Barragem do tipo Arco Malha 3D Hidroelétrica de Funil Hover Dam

11 11/62 Complexidade - recentes avanços processos construtivos Novas concepções de cimentos Dosagens influem diretamente na fissuração do concreto Centro Administrativo Rio Negro Barueri,SP Concreto Fluido Autoadensável Concreto de Alto Desempenho Temperatura (ºC) CP II F 32 CP IV CP Branco Idade (Hora)

12 12/62 Concreto Massa - definição É aquele que, ao ser aplicado numa estrutura, requer a tomada de precauções que evitem fissurações derivadas de seu comportamento térmico. 50 Termômetro 363 Temperatura Calculada Leituras no Termômetro 363 Temperatura( C) Idade (dias)

13 Tipos de Fissuras 13/62 Fissuras do concreto no estado plástico Sedimentação; Assentamento diferenciais dentro da massa do concreto; Movimentação das formas ou fundação; Impedimento da sedimentação pela armadura ou agregado; Retração superficial; Variação da temperatura ambiente. Fissuras do concreto no estado endurecido Retração hidráulica; Deformação autógena; Acabamento (uso excessivo da desempenadeira) Concentração de esforços; Projeto inadequado das Juntas de dilatação; Oxidação das armaduras; Formação da Etringita tardia; Ataque químico (fonte externa e interna); Fissura estrutural Em função do fenômeno da hidratação do cimento;

14 14/62 Cimentos Brasileiros Principais fatores que influenciam significativamente na velocidade de hidratação do cimento: Composição química do cimento : quantidade de C3A e C3S Finura do cimento (m²/g) : moagem e área específica

15 15/62 Fissuras de Origem Térmica Transmissão de Calor no Maciço de Concreto Fonte de Calor Externa Fonte de Calor Interna Energia Solar Convecção e condução Calor Hidratação Condução (Difusividade térmica)

16 16/62 Por que aparece a fissura de origem térmica da hidratação do cimento? A tensão de tração na flexão é ultrapassada pela tensão instalada Temperatura ( o C) Idade (dia) Peça de Concreto Livre de tensão Resfriada sem restrições Resfriada com restrições Tensão = 0 Tensão = 0 Tensão <> 0

17 17/62 Existem ótimos planejamentos de construção, que produzirão temperatura favoráveis no concreto massa sem grande custo, mas informações para auxiliar a seleção desses planejamentos geralmente têm faltado. Eng Walton Pacelli e Roy Carlson executando cálculo térmico pelo método de Carlson em Itumbiara-GO, Desenho da Arquiteta Maria Luiza de Ulhôa Carvalho. A base do método dos elementos finitos foi desenvolvida por Douglas Mchenry Roy W. Carlson

18 18/62 Tensões de origem térmica Fatores de Projeto e execução Coeficiente dilatação Módulo de elasticidade Resistência à tração Fluência Caracterização do Concreto Parâmetros Viscoelásticos Cálculo no Campo de Tensões Parâmetros Térmicos Cálculo no Campo de Temperatura Dimensões da peça Intervalo de colocação Condições de lançamento Temperatura ambiente Temperatura de colocação Uso de pós refrigeração Consumo de cimento Tipo de cimento; outros Difusividade Térmica Condutividade Térmica Calor Específico Elevação Adiabática Segurança Instrumentação

19 19/62 Parâmetros térmicos e viscoelásticos - Obtenção Execução de Ensaios Utilização de um banco de dados (Literatura) Equipe de FURNAS - Editor Walton Pacelli de Andrade Concretos: Massa, Estrutural, Projetado e Compactado com Rolo Ensaios e Propriedades Ed. Pini, São Paulo-SP, Modelos de dados exemplo : Rede Neural

20 20/62 Parâmetros térmicos e viscoelásticos - Obtenção Calor Específico do Concreto Teste Kolmogorov-Smirnov (d = 0,149) Distribuição Normal Esperada Distribuição dos resultados de calor específico 1890 observações Número de Observações ,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 Calor Específico (cal/g.ºc)

21 21/62 Parâmetros térmicos e viscoelásticos - Obtenção Número de Observações Difusividade Térmica do Concreto Teste Kolmogorov-Smirnov (d = 0,098) Distribuição Normal Esperada Distribuição dos resultados de difusividade térmica 513 observações ,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Difusividade térmica (m 2 /dia)

22 22/62 Simulação UNIDIMENSIONAL 1, Concreto Fundação -3-4

23 Modelo BIDIMENSIONAL 23/62 Tubo de sucção da UHE Santo Antonio

24 24/62 Simulação TRIDIMENSIONAL Muro lateral direito UHE São Manoel Viga Munhão UHE Corumbá

25 25/62 METODOLOGIA de calculo HISTÓRICO Em1962, a segurança de uma barragem em Arkansas Estados Unidos foi questionada devido à uma grande fissura vertical. Este foi o primeiro caso em que foi utilizado o método dos elementos finitos para resolver um problema da Engenharia. Tipos de elementos finitos : unidimensional Bidimencional Tridimensional

26 26/62 METODOLOGIA de calculo h 2 Temperatura Lei de Fourier - propagação de calor Princípio da conservação da energia 2 T + Ta / t = T / T( o C) = temperatura do elemento de volume considerado; t(dia) = variável tempo; T a ( o C) = elevação adiabática de temperatura no elemento de volume do concreto; h 2 (m 2 /dia) = difusividade térmica. 2 h = k / ρ. c k (kcal/(m.d. o C) = condutividade térmica; c (Cal/g o C) = calor específico; ρ (Kg/m 3 ) = massa específica. t

27 27/62 METODOLOGIA de calculo Aplicando o método de Galerkin chega-se a seguinte equação: T ( t + t) = [ ] 2 1 h + C / t.[ W ( t) + C. T ( t) / t] Uni dimensional: Capacidade térmica do Elemento : Ki= h 2 /l i Calor Específico do Elemento : Ci= l i / Ta Vetor carga térmica : Wi(t) =.li / t

28 UHE São Manoel Muro lateral direito Junho /62

29 UHE São Manoel Muro lateral direito Julho /62

30 UHE São Manoel Muro lateral direito Agosto /62

31 UHE São Manoel Muro lateral direito Novembro /62

32 32/62 Entrada de dados Calcula C t= dt Calcula K e t=t+dt Calcula W(t) Calcula T(t) Armazema T(t) Aumenta dimensão Muda hc? S N S Parar Cálculo? Fim N S Entrou uma nova camada? N Outro hc METODOLOGIA de calculo

33 Campo Tensional 33/62 Material viscoelástico linear com envelhecimento Princípio da superposição de Boltzmann-McHenry ε t ( t) = f z, t ε j t0 j = i= 1 ( z). σ ( t) f ij. σi ε = f. σ j ij j ( t z) ε j = vetor (n) de deformações de origem térmica = α.δt = α.(ti-tl); f ij = matriz (n, n) cujo elemento da linha j coluna i > j é a fluência do concreto. Critério utilizado : σ ( ) t n = n σ j j = 1 σ<tração (flexão ou pura)

34 Campo Tensional 34/62 [ f i, j ] = f f f 1,1 1,2 1,3... f 1, n f f f 0 2,2 2,3... 2, n f n 1, n 1 f n 1, n f n, n ' f ij =1/E(ti)+Fk(ti).ln (tj+1) E(ti)=ti/(a+b.ti) a e b são coeficientes (metodo dos minimos quadrados) Fk = Coeficiente de fluência ti=idade do concreto Exemplo (Excel).

35 35/62 Fissuras de Origem Térmica O que fazer para minimizar: Dosagem: consumo de cimento, tipo de cimento, aditivo etc. Plano de concretagem: espessura das camadas, intervalo de colocação, lançamento noturno, concreto bombeado, forma deslizante, etc. Procedimento construtivo: pré-refrigeração (armazenamento do material na sombra, água gelada, gelo, refrigeração do agregado etc) ou pós refrigeração (serpentina ou outros recursos)

36 36/62 Fatores cuja influência é significativa na temperatura da estrutura 1. CONSUMO DE CIMENTO 60,0 Elevação Adiabática ( o C) 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 200 kg/m³ 250 kg/m³ 300 kg/m³ 350 kg/m³ 400 kg/m³ Idade (dia)

37 Fatores cuja influência é significativa na temperatura da estrutura 37/62 2. TEMPERATURA DE APLICAÇÃO NA PRAÇA kg/m³ do cimento tipo CP II Tem peratura am biente = 25 o C Espessura da cam ada= 1 m etro 70 Temperatura máxima ( o C) Temperatura de colocação do concreto na praça ( o C)

38 Fatores cuja influência é significativa na temperatura da estrutura 38/62 3. ESPESSURA DA CAMADA kg/m³ do cimento tipo CP II Tem peratura am biente = 20 o C - Tem peratura de colocação = 25 o C Intervalo de colocação das cam adas = 3 dias Temperatura máxima ( o C) ,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 Espessura da camada (m)

39 39/62 Fatores cuja influência é significativa na temperatura da estrutura 4. PLANO DE CONCRETAGEM Plano : 1 camada de 0,50 m depois de 5 dias uma camada de 1,00 metros depois de 4 dias camadas de 1,50 metros a cada 8 dias Temperatura (ºC) Idade (dia) 1º Camada 2º Camada 3º Camada 4º Camada 5º Camada 6º Camada 7º Camada

40 Fatores cuja influência é significativa na temperatura da estrutura 40/62 5. INTERVALO DE LANÇAMENTO kg/m³ do cimento tipo CP II Tem peratura am biente = 20 o C - Tem peratura de colocação = 25 o C Espessura da cam ada= 1 m etro 62 Temperatura máxima ( o C) Inte rv alo de colocação (dias)

41 Fatores cuja influência é significativa na temperatura da estrutura 41/62 6. TIPO DE CIMENTO Temperatura ( o C) CP II CP III CP IV Idade (dia)

42 42/62 Como evitar a FISSURAÇÃO? PRÉ-REFRIGERAÇÃO Gelo em escamas Água gelada Gelo em cubos

43 43/62 PRÉ-REFRIGERAÇÃO Cálculo da % de GELO 9 0 C o n s u m o d e C im e n to = k g /m 3 C onsumo de água = 180 kg/m 3 Te m pe r a tura a m bie nte = 3 5 o C % Gelo Q u e d a d e te m p e ra tu ra ( t( o C )) Princípio da conservação da Energia: (somatório de Q=0)

44 PRÉ-REFRIGERAÇÃO FÁBRICA DE GELO 44/62

45 Fabrica de Gelo da UHE Belo Monte 45/62

46 46/62 PRÉ-REFRIGERAÇÃO CAMINHÃO BETONEIRA Geladinho Tecnologista Élcio Guerra Ganhador do prêmio Liberato Bernardo 1993

47 47/62 Como evitar a FISSURAÇÃO? PÓS-REFRIGERAÇÃO Circulação de ÁGUA em SERPENTINAS

48 Comportamento termo-químico-mecânico 48/62 A reação de hidratação é responsável tanto pelas variações dimensionais sofridas pelo concreto, quanto pela evolução das propriedades térmicas e mecânicas do material.

49 Bloco da Fundação de uma Edificação 49/62 Injeção de Resina Epoxi

50 50/62 CONSIDERAÇÕES FINAIS O fenômeno térmico é um problema importante e deve ser levado em consideração em concretos com características massivas. Do ponto de vista da engenharia, diversas medidas podem ser tomadas de modo a prevenir a fissuração do concreto provocada pelos efeitos da reação de hidratação, como por exemplo: 1. Escolha da composição do concreto; 2. Proteção do concreto contra a incidência dos raios solares (armazenamento na sombra dos materiais, cura com água da estrutura, sacos de aniagem molhado,etc); 3. Controle do ritmo de execução da estrutura, isto é, da espessura das camadas de concretagem e do intervalo de lançamento entre camadas consecutivas; 4. Diminuição da temperatura de lançamento do concreto (pré refrigeração); 5. Utilização da pós-refrigeração.

51 51/62 MUITO OBRIGADO!!! Gambale

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