2º CILASCI Congresso Ibero-Latino-Americano sobre Segurança contra Incêndio Coimbra, Portugal, 29 de Maio a 1 de Junho, 2013

Transcrição

1 2º CILASCI Congresso Ibero-Latino-Americano sobre Segurança contra Incêndio Coimbra, Portugal, 29 de Maio a 1 de Junho, 2013 RESISTÊNCIA RESIDUAL DE VIGAS EM CONCRETO ARMADO APÓS INCÊNDIO Tiago Ancelmo de C. Pires Pesquisador FCTUC Coimbra Portugal tacpires@yahoo.com.br Dayse Cavalcanti de Lemos Duarte Professor UFPE Recife Brasil duarte@ufpe.br José Jéferson do Rêgo Silva Professor UFPE Recife Brasil jjrs@ufpe.br João Paulo C. Rodrigues Professor FCTUC Coimbra Portugal jpaulocr@dec.uc.pt Palavras-chave: Incêndio, concreto armado, vigas, resistência residual, experimental. RESUMO Apesar de apresentar bom desempenho em situação de incêndio, as estruturas de concreto podem ser comprometidas em função da severidade deste. As reduções nas propriedades mecânicas do aço e do concreto aliadas a lascamentos, fissuras e deformações excessivas podem comprometer seu desempenho. Este artigo apresenta resultados experimentais de ensaios à flexão em vigas e de compressão em corpos de prova cilíndricos de concreto após um ciclo de aquecimento e arrefecimento. Variáveis como o tempo de exposição a altas temperaturas e materiais de proteção foram avaliadas. 1. INTRODUÇÃO As estruturas em concreto armado possuem características vantajosas em situação de incêndio, uma vez que, o concreto é incombustível, possui baixa condutividade térmica e não exala gases tóxicos quando aquecido. Além disto, em geral, os elementos estruturais em concreto armado possuem baixo fator de massividade [1]. No entanto, as peças em concreto armado possuem uma distribuição de temperatura em seu interior bastante complexa quando aquecidos por serem compostas por materiais heterogêneos, de propriedades termo-mecânicas diferentes, além de sofrer influencia de fatores como umidade e porosidade [2]. Além disto, as altas temperaturas alcançadas em um 311

2 Tiago Ancelmo de C. Pires, Dayse Cavalvanti de Lemos Duarte, José Jéferson do Rêgo Silva, João Paulo C. Rodrigues incêndio induzem a processos físicos e químicos no concreto armado que podem alterar substancialmente as suas características mecânicas e físicas [3]. Altas temperaturas, portanto, reduzem as propriedades mecânicas do concreto armado, caracterizadas pela redução da resistência à tração, à compressão e do módulo de elasticidade. Esta redução deve-se a processos químicos que se iniciam, primeiramente, na pasta de cimento endurecida. Por exemplo, cita-se a dissociação do hidróxido de cálcio, responsável pela resistência do concreto que se inicia a cerca de 400 C, e continua até a completa destruição do gel hidratado de silicato de cálcio em aproximadamente 900ºC [4]. Como efeito físico significativo menciona-se o lascamento. Este fenômeno é basicamente o desprendimento de camadas de concreto da peça estrutural podendo ser explosivo ou não [5]. Kalifa [6] associa este fenômeno a processos termo-mecânicos (esforços de tração e deformação incompatíveis) e termo-hidráulicos (pressões de vapor oriundas da mudança de estado da água existente na peça) sendo a umidade o principal contribuinte para o lascamento. Outros fatores, como altas taxas de armadura, altos e assimétricos gradientes de temperatura, baixa permeabilidade, podem contribuir para este fenômeno [5]. Além das reduções nas propriedades mecânicas, a perda de aderência na região de transição aço-concreto é outro efeito físico significativo para a diminuição da capacidade resistente de peças estruturais. Isto se deve ao comportamento térmico diferente, ou melhor, dilatações diferentes, entre o aço e o concreto. Surgem assim, novas tensões térmicas aumentando a força de atrito atuante na região. Por outro lado, a força de atrito resistente (máxima suportada) diminui em função da redução da resistência à tração do concreto. Este efeito já é observado a apenas 100 C e cessa aos 600 C com a perda total da aderência. O resfriamento brusco (caso de incêndios extintos com água) e a ocorrência de lascamentos contribuem para aumentar estes danos [7]. Outras alterações físicas e químicas podem ser observadas como as alterações na cor do concreto a altas temperaturas [8], comportamentos térmicos diferentes entre os materiais de composição, fissuração, reações químicas com derivados que aumentam os danos da estrutura etc. Todas estas alterações podem contribuir ou indicar diminuição da capacidade resistente da peça estrutural. Outros fatores, como pré-carregamentos, número de faces expostas ao fogo, taxas de aquecimento e formas de resfriamento (ao ar ou com água), também podem influenciar o comportamento mecânico do concreto armado, podendo potencializar os efeitos do incêndio. Phan [9] afirma que dependendo das condições do ensaio a redução pode iniciar-se e ser significante bem antes dos 400 C. Neste sentido, um conjunto de testes experimentais foi executado na Universidade Federal de Pernambuco, em Recife, Brasil, para avaliar as propriedades residuais de elementos de vigas em concreto armado, após serem submetidos a altas temperaturas. Diferentes tempos de exposição assim como materiais de proteção à viga foram testados. Ensaios de resistência a compressão em corpos de prova cilíndricos de concreto foram feitos para auxiliar o entendimento do problema. 312

3 Resistência residual de vigas em concreto armado após incêndio Neste trabalho serão apresentados o método empregado e alguns resultados obtidos para avaliação das propriedades residuais dos elementos de viga através de ensaios de flexão. 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Sistema Experimental As amostras foram expostas numa fornalha a gás natural (fig. 1) cujas dimensões internas são 2000x1000mm e altura de 1000mm. A potência do queimador utilizado era de kcal/h (500 kw). A temperatura no interior da fornalha era monitorada por 4 termopares (T 1 a T 4) localizados no topo da mesma e outros 9 termopares (T a a T i), distribuídos de forma eqüidistantes, a 400mm acima do piso inferior da fornalha (fig. 2). Todos os termopares eram tipo K e possuíam isolamento mineral. A carga foi aplicada por uma prensa hidráulica cuja capacidade máxima de carga era 3000kN (fig. 1). Nos ensaios com as vigas a carga foi registrada de forma computadorizada por uma célula de carga com capacidade de 300kN. Já a carga de ruptura dos corpos de prova foi registrada de forma analógica na prensa. Figura 1 Fornalha a gás natural (à esquerda) e prensa usada para os ensaios de compressão de corpos de prova (ao centro) e flexão de vigas (à direita) 2.1 Procedimento de teste As amostras foram dispostas no interior da fornalha conforme a fig. 2. Cada exposição era composta por 3 vigas, 4 corpos de prova cilíndricos de 100x200mm e 4 de 150x300mm. As vigas foram expostas em três faces, situação comum em incêndios reais. Para tal, a região de tração era posta para cima e a de compressão isolada com fibra cerâmica (material isolante) e posta em contacto com o fundo da fornalha. Em seguida o queimador era ligado em sua potência máxima durante o tempo de exposição do teste. Durante o aquecimento as vigas não se encontravam sob carga. Ao final da exposição a porta da fornalha era aberta e as amostras eram resfriadas ao ar livre por 24h. 313

4 Tiago Ancelmo de C. Pires, Dayse Cavalvanti de Lemos Duarte, José Jéferson do Rêgo Silva, João Paulo C. Rodrigues Após o resfriamento, as vigas foram ensaiadas em ensaio de flexão de 4 pontos (fig. 3). Os corpos de prova cilíndricos de concreto foram ensaiados segundo a NBR5739:1994. Outros ensaios para determinação da umidade em massa (h) e densidade seca (d seca) do concreto das vigas foram realizados. Para isto foram utilizadas 4 amostras prismáticas e 4 cilíndricas extraídas de diferentes corpos de prova submetidos as mesmas condições ambientais que as vigas até o início dos experimentos. Figura 2 Disposição típica das amostras e termopares na fornalha durante os ensaios 2.2 Amostras Figura 3 Modelo estrutural de ensaios. Ensaiou-se um total de 35 vigas em concreto armado, 50 corpos de prova cilíndricos 100x200mm e 50 corpos de prova 150x300mm de concreto (Quadro 1). A secção transversal das vigas era 120x200mm e o comprimento 1500mm. As vigas foram dimensionadas segundo a NBR 6118:2003 e a armadura transversal reforçada de modo que a falha fosse por flexão, modo de falha mais provável em situação de incêndio. Os coeficientes de segurança adotados para as propriedades mecânicas dos materiais e para os esforços atuantes foram iguais a 1. A armadura longitudinal era composta por 2Ø10mm, aço CA50 tipo B (f y=500mpa e f u=540mpa) e a transversal por barras Ø6mm espaçadas a cada 80mm na região central e 60mm nos extremos, aço CA60 tipo B (f y=600mpa e f u=660mpa). Foram ensaiadas vigas sem proteção ao fogo com recobrimentos de 15mm e 30mm e protegidas por materiais isolantes a base de gesso e vermiculita (Quadro 1). A espessura do revestimento da proteção foi 10mm sendo aplicado apenas nas vigas. Os tempos de exposição adotados nos testes foram 60, 120 e 210 min. 314

5 Resistência residual de vigas em concreto armado após incêndio O concreto foi dosado e possuía as características apresentadas no Quadro 2. Ensaios a temperatura ambiente para referência com os testes ao fogo foram realizados. Para tal, a resistência à flexão de 5 vigas e à compressão de 6 corpos de prova de 100x200mm e 4 de 150x300mm foram determinadas. Quadro 1. Plano de testes das vigas Exposição Referência Nº CP s 100x200mm Nº CP s 150x300mm Nº vigas Vigas sem exposição Ambiente Vigas expostas por 60 min c/ recobrimento 15mm em concreto (espessura mínima prevista pela NBR6118:1980). Vigas expostas por 60 min c/ recobrimento 30mm em concreto (espessura mínima prevista pela NBR6118:2003). Vigas expostas por 60 min c/ recobrim. 15mm em concreto + 10mm em gesso. Vigas expostas por 60 min c/ rec. 15mm em concreto + 10mm em vermiculita. Vigas expostas por 120 min c/ recobrimento 15mm (espessura mínima prevista pela NBR6118:1980). Vigas expostas por 210 min c/ recobrimento 15mm (espessura mínima prevista pela NBR6118:1980). Vigas expostas por 210 min c/ recobrimento 30mm (espessura mínima prevista pela NBR6118:2003). Vigas expostas por 210 min c/ recob. 15mm em concreto + 10mm em gesso. Vigas expostas por 210 min c/ recobrimento 15mm em concreto + 10mm em vermiculita. REC15_60min REC30_60min RECgesso_60min RECverm_60min REC15_120min REC15_210min REC30_210min RECgesso_210min RECverm_210min Quadro 2. Características do concreto Descrição Valor Cimento CP II F32 (Poty) 837 kg Areia Branca Jazida 1809kg Areia Média Votorantim 603kg Brita 25mm 3741kg Água 456 l Retardador de Pega MBT 61R 2,637 l Fator água/cimento 0,54 Resistência à compressão aos 28 dias de projeto (f ck) 30 MPa Slump 60±10mm Resistência à compressão média na época dos ensaios (f c) 47,1 MPa Umidade em massa 4,4% Densidade seca 2400 kg/m³ 315

6 Tiago Ancelmo de C. Pires, Dayse Cavalvanti de Lemos Duarte, José Jéferson do Rêgo Silva, João Paulo C. Rodrigues Preparação das Amostras As vigas e corpos de prova tiveram uma cura inicial de 24h ainda nas fôrmas. Em seguida as fôrmas foram retiradas, as vigas foram postas para cura ambiente cobertas por pó de serra úmido durante 28 dias. Pelo mesmo período os corpos de prova foram submetidos a cura úmida de acordo com as exigências da NBR 9479:1994. Após a cura as vigas e corpos de prova foram postos ao ar livre por mais 28 dias para reduzir sua umidade até o ensaio Instrumentação Durante a exposição a temperatura no interior das vigas foi registrada por 12 termopares com isolamento mineral, tipo K (Fig. 4). A carga de ruptura das vigas foi determinada através de uma célula de carga de 300 kn Figura 4 Localização dos termopares ao longo da viga (a) e na secção transversal (b) Análise Estatística Após os ensaios verificou-se se a resistência residual média de cada grupo (i.e. exposição) era ou não diferente da de outro grupo. Esta análise foi feita através da aplicação de Testes de Hipóteses. Adotou-se uma significância de 5% para rejeição ou não da hipótese nula. 3. RESULTADOS 3.1 Temperatura da Fornalha As curvas de aquecimento apresentaram boa reprodutibilidade nas exposições (fig. 5). No entanto, não foi possível seguir a curva ISO 834 devido a limitação da potência dos queimadores. Observou-se ainda um pequeno gradiente de temperatura ao longo da direção horizontal da fornalha provavelmente devido a existência de apenas 1 queimador (fig. 6). 316

7 Resistência residual de vigas em concreto armado após incêndio Figura 5 Temperatura dos gases na parte superior da fornalha Figura 6 Temperatura dos gases na parte inferior da fornalha após 60min de exposição 3.2 Temperatura nas Vigas As proteções com gesso e vermiculita foram eficazes retardando o aumento de temperatura na secção transversal da viga (fig. 7). As temperaturas verificadas na viga com proteção em gesso foram levemente menores do que as da viga com proteção de vermiculita. No entanto ambas as proteções, especialmente a em gesso, apresentaram problemas de desprendimento da peça estrutural provavelmente devido a deformações diferenciais dos materiais (fig. 8). Aos 100ºC, tanto nas vigas quanto nos corpos de prova, observou-se um período de aproximadamente 10 min onde a temperatura permanece constante. Isto é devido a mudança de estado de líquido para vapor da água livre existente nas amostras (fig. 9). 317

8 Tiago Ancelmo de C. Pires, Dayse Cavalvanti de Lemos Duarte, José Jéferson do Rêgo Silva, João Paulo C. Rodrigues Figura 7 Temperatura na secção transversal das vigas. Figura 8 Desprendimento das proteções, de gesso (a esquerda) e vermiculita (a direita) Figura 9 Crescimento da temperatura em função do tempo em secções transversais ao longo do comprimento da viga Experimento REC15_60min 318

9 Resistência residual de vigas em concreto armado após incêndio Mesmo com a umidade baixa de 4,4% e utilizando concreto tradicional com resistência característica de projeto de 30MPa foram observados lascamentos tanto nas vigas quanto nos corpos de prova. Inclusive alguns explosivos (fig. 10). Figura 10 Lascamento ocorrido em uma viga protegida por vermiculita 3.3 Resistência Residual das Vigas Nas exposições de 60 e 120min, estatisticamente não há diferenças entre a resistência residual das vigas sem proteção (recobrimentos de 15mm e 30mm), com proteção (gesso e vermiculita) e as que não foram expostas a um nível de significância de 5%. Desse modo, mesmo com boa parte da secção transversal a temperaturas acima de 200ºC (exposição de 60min) e 400ºC (exposição de 120min), as vigas mesmo sem proteção não reduziram sua resistência à flexão. O esforço cortante e momento fletor apresentados nos quadros abaixo são os valores médios atuantes para a máxima carga suportada pela viga (i.e. carga de ruptura da viga). O Quadro 3 apresenta os resultados para as exposições de 60min. Quadro 3. Média da resistência das vigas expostas por 60 minutos Exposição Cortante (kn) Momento fletor (kn m) M/M amb Ambiente 78,6 19,6 100% REC30_60min 77,2 19,3 98% REC15_60min 78,6 19,6 100% RECgesso_60min 76,3 19,1 97% RECverm_60min 75,2 18,8 96% Teste de Barlett, p-value: 0,55 ANOVA, p-value: 0,31 A variância dos grupos é homogênea. Não rejeita-se Ho, logo as médias são iguais. M é a média do momento fletor máximo na ruptura das vigas expostas M amb é a média do momento fletor máximo na ruptura das vigas ambiente 319

10 Tiago Ancelmo de C. Pires, Dayse Cavalvanti de Lemos Duarte, José Jéferson do Rêgo Silva, João Paulo C. Rodrigues Aos 210 minutos de exposição, as vigas com proteção (gesso e vermiculita) não apresentaram reduções em sua resistência à flexão apesar da temperatura na maior parte da secção transversal ultrapassar os 500ºC (Quadro 4). Isto comprova a eficácia da proteção como havia sido observado na análise das temperaturas. Estas conclusões sugerem que as espessuras de proteção estão bastante a favor da segurança para o caso em análise. Apesar de não se poder rejeitar a hipótese nula estatisticamente percebe-se que o p-value já está bem próximo da região de rejeição (significância de 5%). Ou seja, provavelmente com mais algum tempo de exposição já se observariam estatisticamente reduções na resistência à flexão das vigas com proteção. Quadro 4. Média da resistência das vigas com proteção expostas por 210 minutos Exposição Cortante (kn) Momento fletor (kn m) M /M amb Ambiente 78,6 19,6 100% RECgesso_210min 69,1 17,3 88% RECverm_210min 65,6 16,4 84% Teste de Barlett, p-value: 0,34 ANOVA, p-value: 0,07 A variância dos grupos é homogênea. Não rejeita-se H o, logo as médias são iguais. Já as vigas sem proteção, quando expostas durante 210min, apresentaram redução significativa na resistência à flexão. No entanto, não se pode afirmar que há diferença entre o desempenho das vigas com recobrimento de 15 e 30mm (Quadro 5). Isto sugere que a solução de aumentar o recobrimento de concreto como forma de proteção ao fogo pode não ser tão eficaz para estes níveis de exposição. 3.4 Resistência Residual dos Corpos de Prova Apesar das vigas não apresentarem reduções na resistência para as exposições de 60 e 120min, a resistência à compressão dos corpos de prova foi bastante reduzida (Quadro 6). Isto sugere que mesmo caso os corpos de prova apresentem reduções significativas em sua resistência não necessariamente será verificada uma redução na resistência da peça estrutural. Por outro lado, é evidente que a geometria, o volume da amostra e a existência de armaduras influem na redução da resistência da amostra. Os corpos de prova de 100x200mm apresentaram uma redução ligeiramente maior do que os de 150x300mm. Quadro 5. Média da resistência das vigas sem proteção expostas por 210 minutos 320

11 Resistência residual de vigas em concreto armado após incêndio Exposição Cortante (kn) Momento fletor (kn m) M /M amb REC30_210min 47,6 11,9 61% REC15_210min 52,4 13,1 67% Teste f-snedecor, p-value: 0,22 Teste t-student, p-value: 0,06 A variância dos grupos é homogênea. Não rejeita-se H o, logo as médias são iguais. Quadro 6. Resistência residual à compressão dos corpos de prova cilíndricos Exposição 150x300mm 100x200mm f (MPa) f /f c,amb f (MPa) f /f c,amb Ambiente 47,6 100% 46,7 100% 60min 24,11 51% 17,9 38% 120min 12,7 27% 11,2 23% 210min 6,9 14% 7,8 17% 4. CONCLUSÕES Este artigo apresentou ensaios de resistência residual à flexão de vigas em concreto armado e à compressão de corpos de prova de concreto após aquecimento e arrefecimento. Baseado nos experimentos destaca-se as seguintes observações: A proteção a base de gesso e vermiculita mostraram-se eficazes na redução da temperatura da secção transversal e, conseqüentemente, retardando a diminuição da resistência. No entanto, o desprendimento do material isolante da peça estrutural pode comprometer seu desempenho; Lascamentos podem ocorrer em peças de concreto armado mesmo com concreto tradicional (f ck = 30MPa) e baixa umidade (4,4% em massa); Neste caso, as vigas para exposições de 60 min e 120 min não necessitavam de proteção ao fogo, o que reforça o bom desempenho de estruturas em concreto armado em situação de incêndio; A solução de proteção através do aumento do recobrimento de concreto pode não ser tão eficaz; Reduções significativas nos valores da resistência à compressão dos corpos de prova não implicam em reduções consideráveis nas vigas. A forma, a geometria das peças e as armaduras influem na redução da resistência. 321

12 Tiago Ancelmo de C. Pires, Dayse Cavalvanti de Lemos Duarte, José Jéferson do Rêgo Silva, João Paulo C. Rodrigues 5. REFERÊNCIAS [1] Costa, C. N. & Silva, V. P. Estruturas de concreto armado em situação de incêndio, XXX Jornadas Sul-americanas de Engenharia Estrutural, [2] Li, M.; Qian, CX. & Sun, W. Mechanical properties of high-strength concrete after fire. Cement and Concrete Research, 34, pág , [3] ITSEMAP. Intruccion Técnica Resistencia al fuego de las estruturas de hormigón, ITSEMAP, [4] Poon, C. S.; Azhar, S.; Anson, M. & Wong Y. L. Strength and durability recovery of firedamaged concrete after post-fire-curing. Cement and Concrete Research, 31, pág , [5] Hertz, K. D. Limits of spalling of fire-exposed concrete. Fire Safety Journal, 38, pág , [6] Kalifa, P. et al. Spalling and pore pressure in HPC at high temperatures. Cement and Concrete Research, 30, pág , [7] Xiao, J. & Konig, G. Study on concrete at high temperature in China an overview. Fire Safety Journal, 39, pág , [8] Short, N. R.; Purkiss, J. A. & Guise, S. E. The assessment of fire damaged concrete using colour image analysis. Construction Building Materials, 15, pág. 9-15, [9] Phan, L. T. Fire performance of high-strength concrete: a report of the state-of-the-art. National Institute of Standards and Technology, report Nº 5934, [10] Pires, T.A.C. Gerenciamento de riscos de incêndio: avaliação do impacto em estruturas de concreto armado através de uma análise experimental de vigas isostáticas, (Dissertação de Mestrado Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Engenharia de Produção. 322