Cap29 - Ações do fogo nas estruturas de concreto

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Capítulo 29
Ação do Fogo nas Estruturas de Concreto
Carlos Amado Britez
Universidade de São Paulo
Carla Neves CostaCarla Neves Costa
Universidade de São Paulo
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ãIntrodução
• Materiais de construção civil
• Desempenho de materiais de construção civil (desprotegidos), sob ação
do fogo
Desempenho dos materiais sob ação do fogo 
(desprotegidos) – Fonte: Jacobs, 2007.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• Concreto endurecido
Introdução
• Diversos componentes materiais
concreto 
endurecido
componentespasta agregados componentes opcionais
••silicosos
• À temperatura ambiente: comporta-se como material “homogêneo”
cimento Portland água aditivos adições•calcáreos
•outros
À temperatura ambiente: comporta se como material homogêneo
• Em altas temperaturas: comportamentos distintos
• Desidratação da pasta
• Pirólise (reações químicas causada pelo calor) de cada componente
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Pirólise (reações químicas causada pelo calor) de cada componente
• Expansão ou contração diferencial
I t d ã
• Efeitos do calor no concreto endurecido
Introdução
efeitos do calor
microestrutura macroestrutura
microfissuração redução damicrofissuração 
excessiva
redução da 
resistência à abrasão
propagação de 
fissuras
redução da 
resistência fissuras
redução do módulo 
de elasticidade
desplacamento 
(spalling)
não-explosivo explosivo
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• FogoFogo
• “… é o processo de combustão caracterizado pela
emissão de calor e luz”(ABNT NBR 13860:1997)
• Reação química de oxidação de qualquer material
inflamável
• T t d d f• Tetraedro do fogo
comburente
lcombustíve
+calor
cadeia em reação
+
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
fogo
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Combustível (ou carga de incêndio)
• Q l t i l i• Qualquer material que queima
• revestimentos e acabamentos
• componentes de construção
• mobiliário
• elementos estruturais combustíveis
• madeira
• Comburente
• Oxigênio (superior a 12% no ar)
• Calor
• Reação em cadeiaReação em cadeia
ConcretoCo c eto
•material estrutural incombustível
•possui baixa condutividade térmica
•não exala gases tóxicos ao ser aquecidoIsolamento térmico e estanqueidade do concreto –
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
não exala gases tóxicos ao ser aquecido
Fonte: Jacobs, 2007.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Incêndio
• “… é o fogo fora de
controle”(ABNT NBR13860:1997)
• Curvas de incêndio
• Recurso de Engenhariag
• Representam a variação da
temperatura do ambiente em
função do tempo
• Material combustível
Incêndio no ed. Windsor Tower, Madri, Espanha, 
Material combustível
2005. Fonte: 9 – 11 RESEARCH, 2005. 
Disponível em: 
http://911research.wtc7.net/wtc/analysis/compare/
windsor.html. Acesso em: 09 abr. 2007.celulósicos (madeira, papel etc )
hidrocarbonetos
(líquidos inflamáveis)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
papel, etc.) (líquidos inflamáveis)
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Incêndio
• Curvas de incêndio real
• Dois ramos
A d t i t d d bi t• Ascendente – aquecimento do ar do ambiente
• Descendente – resfriamento do ar do ambiente
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Estágios principais de um incêndio real. – Fonte: Costa e Silva, 2003.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Incêndio
• Curvas padronizadas
• Usadas em laboratório
• Análise qualitativa de desempenhoAnálise qualitativa de desempenho
curvas 
padronizadas
celulósicos hidrocarbonetos
ISO 834:1975
equação matemática
ASTM E-119
tabela
Curva “H” Curva RWS
 183  18log345 100  tTT
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Curvas padronizadas de incêndio.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Incêndio
• Curvas padronizadas
ISO 834:1975
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Curvas padronizadas de incêndio.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Transferência de calor do ar quente para as estruturas de concreto
Transferência de calor 
em situação de incêndio
radiação convecção condução
chamas calor
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Formas de transferência de calor.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Transferência de calor do ar quente para as estruturas de
tconcreto
• Condução
• Transmissão do calor no interior do elemento
• Equação geral de condução de calor de Fourier
Q      
t
cQ
zzyyxx 















  
x, y, z = coordenadas de um ponto dentro do material
θ = temperatura
λ = condutividade térmica em função da temperatura elevadaλθ = condutividade térmica em função da temperatura elevada
ρ.c = calor específico volumétrico do material
Q = taxa de calor interno gerado dentro do material
Əθ = gradiente de temperatura na direção do fluxo de calor
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Əθ = gradiente de temperatura na direção do fluxo de calor
t = tempo
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Transferência de calor do ar quente para as estruturas
de concreto
• Condução
1200
1000
800
C
)
x = 25
x = 0x = distância da face
exposta ao fogo (mm)
1200
1000
800
(
°
C
)
60 minutos
120 minutos
180 minutos
600
400
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
x = 120
x = 70
600
400
200
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 180 minutos
240 minutos
200
0
0 50 100 150 200 250
Tempo de exposição ao fogo (minutos)
x = 250
x = 200
x = 155
0 50 100 150 200 300250
200
0
Profundidade da superfície exposta ao fogo (mm)
•Figura 6 – Evolução do campo de 
temperaturas em uma parede de concreto de 
alta resistência em função do tempo de 
exposição ao fogo – Fonte: Ongah et al 2002
•Figura 7 – Distribuição de temperatura em 
função da distância da superfície exposta ao 
fogo e do tempo de exposição ao fogo, 
calculada através de modelo numérico –
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
exposição ao fogo Fonte: Ongah et al., 2002. calculada através de modelo numérico. 
Fonte: Ongah et al., 2002).
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações na microestrutura
• Pasta de cimento Portland
• Expansão
• ContraçãoContração
• Desidratação
• Decomposição do C-S-H
• Decomposição do carbonato de cálcio (CaCO3)Decomposição do carbonato de cálcio (CaCO3)
• Agregados
• Expansão
• Transformações mineralógicas: quartzo α β• Transformações mineralógicas: quartzo α β
• Decomposição generalizada
• Água livre
• Evaporação
• Aumento da pressão interna de vapor
• Fissuração excessiva
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Desplacamento (Spalling)
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações na microestrutura
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Processo físico-químico do concreto em situação de incêndio – Fonte: THE CONCRETE CENTRE, 2004.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações na microestrutura
• Concreto normal x CAR (Concreto de Alta Resistência)
Resistência normalResistência normalAlta resistência Resistência normal (convencional)Alta resistência
Resistêncianormal 
(convencional)
Maior porosidadeMenor porosidade
Maior pressão Menor pressão
Maior porosidadeMenor porosidade
Maior pressão Menor pressãoMaior pressão 
interna de vapor
D l t
Menor pressão 
interna de vapor
Propagação de
Maior pressão 
interna de vapor
D l t
Menor pressão 
interna de vapor
Propagação deDesplacamentos Propagação de 
fissuras
Desplacamentos Propagação de 
fissuras
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações na microestrutura
• Concreto normal X CAR (Concreto de Alta Resistência)
•Pressão interna em diferentes profundidades em um concreto de alta
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Pressão interna em diferentes profundidades, em um concreto de alta 
resistência, sem fibras de polipropileno – Fonte: Phan, 2002.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades térmicas
propriedades 
térmicas
condutividade térmica calor específico massa específicap p
Difusividade térmica




c
D 
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia

•Propriedades térmicas alteradas em função da temperatura elevada.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades térmicas
• Difusividade térmica• Difusividade térmica
Calcários
%
)
100
Silicosos
Sílica
Sílica
d
e
 
t
é
r
m
i
c
a
 
(
%
90
80
n
a
 
d
i
f
u
s
i
v
i
d
a
d
70
60
M
u
d
a
n
ç
a
 
n
60
50
Temperatura (°C)
40
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Ef it d t t l d dif i id d té i d t d d id d l l i d f it
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Efeito da temperatura elevada na difusividade térmica do concreto de densidade normal, excluindo os efeitos 
de calor latente. Nota: sílica com dois experimentos distintos – Fonte: CEB-fib BULLETIN nº38, 2007.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades térmicas
• Difusividade térmica dos agregados• Difusividade térmica dos agregados
Serpentinita
Tipo de agregado
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Temperatura (°C)
Pedregulho Rio Tâmisa
Quartzo
Calcário silicoso
Calcário dolomítico
ruptura
Calcário calcítico
Basalto
Agregado leve
Anortisita
Tijolo refratário
Agregado refratário
Estável
Contração
Mudança de fase Descarbonização Larga expansão
Desidratação Desgaseificação
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Comportamento de diferentes tipos de agregados durante o aquecimento. – Fonte: CEB-fib Bulletin nº38, 2007.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades térmicas
• Condutividade térmica
•Quadro 1 – Condutividade térmica em temperatura 
Material/Elemento Condutividade térmica (W/mºC)
Pedregulho
Calcário
Granito
Quartzo
a
 
(
%
)
100
120ambiente – Fonte: CEB-fib Bulletin nº38, 2007.
( )
Agregados 0,7 – 4,2
Concretos saturados 
de água 1,0 – 3,6 d u
t
i
v
i
d
a
d
e
 
t
é
r
m
i
c
a
80
de água
Pastas de cimento 
endurecidas 
(saturadas de água)
1,1 – 1,6
C
o
n
d
40
100 200 300 400
60
(saturadas de água)
Água 0,515
Ar 0,0034
Temperatura (°C)
•Efeito da temperatura elevada na condutividade 
térmica do concreto inicialmente saturado – Fonte:
CEB-fib Bulletin nº38, 2007.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades térmicas
• Calor específico• Calor específico
380
Pedregulho
CalcárIo
Granito
Quartzo
260
300
340
(
%
)
Saturado
Quartzo
180
220
C
a
l
o
r
 
e
s
p
e
c
í
f
i
c
o
 
(
Seco
60
100
140
0 200 400 600
Temperatura (°C)
•Efeito da temperatura no calor específico do concreto, excluindo os efeitos de 
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
calor latente – Fonte: CEB-fib Bulletin nº38, 2007.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades térmicas
• M ífi• Massa específica
2.4
Calcário II
Calcário I
Quartzo
Basalto
2.0
2.2
c
a
 
(
g
/
c
m
³
)
1.6
1.8
a
s
s
a
 
e
s
p
e
c
í
f
i
c
Xisto expandido
1 2
1.4
M
a
•Massa específica de concretos com quatro diferentes agregados em função da 
200 400 600 800 1000200
1.2
Temperatura (°C)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
temperatura. Nota: agregados de origem calcária de dois experimentos distintos –
Fonte: CEB-fib Bulletin nº38, 2007.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• Redução da resistência do concreto à compressão
1 DTU (1974) densidade normal
BS 8110-2:1985
densidade normal
0,6
0,8
/
f
c
k
leves
CEB Bulletins n° 145, 174, 208
silicosos
leves
LIE (1992) d ili
0,4
κ
c
,
θ
 
=
 
f
c
k
,
θ
/ LIE (1992) agregados silicosos
ENV 1992-1-2:1995
agregado s s ilico s o s (s im plificado )
agregados silicosos
agregados calcáreos
0,2
g g
NZS 3101 (1995) e AS 3600 (2001)
EN 1992-1-2:2004
agregados silicosos
agregados calcáreos
1992 1 2/ A (2006)
F t d d ã d i tê i t í ti à ã d t lt
0
0 200 400 600 800 1000 1200
temperatura θ (ºC)
Pr NF EN 1992-1-2/NA (2006)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Fator de redução da resistência característica à compressão do concreto em altas 
temperaturas, de diversas normas – Fonte: Costa, 2008.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do aço
• Redução da resistência do concreto à compressão
1 DTU (1974)
b li
 trabalhado a frio 
0 6
0,8
f
y
k
barras lisas
barras com saliências ou rugosidades
trabalhadas a frio
BS 810-2:1985
CEB Bulletins n° 145 174 208
laminado a quente 
(EN 1992 1 2:2004)
(EN 1992-1-2:2004)
0,4
0,6
κ
s
,
θ
 
=
f
y
k
,
θ
/
f
CEB Bulletins n 145, 174, 208
laminado a quente
trabalhado a frio
LIE (1992)
NZS 3101 (1995) e AS 3600 (2001)
(EN 1992-1-2:2004)
0
0,2
NZS 3101 (1995) e AS 3600 (2001)
EN 1992-1-2:2004
laminado a quente
trabalhado a frio
aço comprimido (εs,θ<2%)
aço comprimido (EN 
1992-1-2:2004)
F t d d ã d i tê i i l t d f ã d
0
0 200 400 600 800 1000 1200
temperatura θ (°C)
aço comprimido (εs,θ 2%)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Fator de redução da resistência convencional ao escoamento do aço em função da 
temperatura, de diversas normas – Fonte: Costa, 2008.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O f ô d d l t ( lli )• O fenômeno do desplacamento (spalling)
spalling
de
spalling
pós-resfriamento
spalling
explosivo
agregado
p p
spalling
spalling
de
aresta
spalling
spalling
superficial
spalling
por
delaminação
•Exemplo de spalling explosivo ocorrido em pilar
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Tipos de desplacamento (spalling). – Fonte:
CEB-fib Bulletin nº38, 2007.
Exemplo de spalling explosivo ocorrido em pilar 
de concreto de alta resistência fck = 83MPa–
Fonte: Kodur, 2005.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto• O f ô d d l t ( lli )• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• O efeito da armadura
•Resultados obtidos após o ensaio em elevadas temperaturas sendo (a) configuração
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Resultados obtidos após o ensaio em elevadas temperaturas, sendo (a) configuração 
convencional da armadura de pilares de alta resistência e (b) a configuração modificada para 
melhor– Fonte: Kodur, 2005.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• O efeito da idade
•Pilares de concreto armado após o experimento de simulação de incêndio (180 min): efeito da 
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
relação água/cimento e da idade, na ocorrência do fenômeno de spalling, seção transversal 
quadrada de lado 70 cm– Fonte: Morita et al., 2002.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• Influência do tamanho da seção transversal e da amostra de concreto
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Influência do fator de escala dimensional na incidência do desplacamento – Fonte:
Britez, 2011.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• Influência do tamanho da seção transversal e da amostra de concreto
S id d d d l t t d l 2002
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Severidade do desplacamento em amostras de pequena escala – Fonte: Phan, 2002.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• Influência de adições – fibras de polipropileno
•Influência das fibras de polipropileno na ocorrência do fenômeno de spalling, para uma mesma relação 
água/cimento (a/c = 0,243) – Fonte: Morita et al., 2002.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• Influência de adições – fibras de polipropileno
Influência das fibras de polipropileno na ocorrência do fenômeno de spalling Fonte: Kawai 2005
sem fibras com fibras
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Influência das fibras de polipropileno na ocorrência do fenômeno de spalling – Fonte: Kawai, 2005.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O f ô d d l t ( lli )• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• Influência de adições – fibras de polipropileno
•Pressão interna de vapor nos poros de CN (concreto resistência normal) e CAR concreto alta resistência)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Pressão interna de vapor nos poros de CN (concreto resistência normal) e CAR concreto alta resistência) 
com fibras de polipropileno– Fonte: Phan, 2002.
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• O fenômeno do desplacamento (spalling)
• Influência da intensidade do carregamento
0.5
0.4
Taxa de aquecimento alta
u
 
d
e
 
S
p
a
l
l
i
n
g
0.3
0 2
Taxa de aquecimento baixa
G
r
a
u 0.2
0.1
0
Intensidade do carregamento
0
0.4 0.60.2
Ef it d i t id d d t d t d i t d lli il d
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Efeito da intensidade de carregamento e da taxa de aquecimento no grau de spalling em pilares de 
concreto armado de alta resistência.– Fonte: Ali et. al., 2001) .
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Efeito da intensidade de carregamento na incidência de spalling, comparando-se concretos com e sem
silica ativa.– Fonte: Phan, 2002) .
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• E i d difí i l l (f ll l t t)• Ensaio de edifício em escala real (full scale test)
• Cardington, UK A B C D
7,50m 7,50m 7,50m
1
2
7
,
5
0
m
Pilar interno
40 cm x 40 cm
3
7
,
5
0
m
4
m
7
,
5
0
m
Área de teste de
simulação de incêndio
5
7
,
5
0
m
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Edifício de concreto armado projetado e construído em escala real para ensaios de resistência ao fogo –
Fonte: Chana & Price, 2003) .
O f t i ê diO fogo, o concreto e o incêndio
• Alterações nas propriedades mecânicas do concreto
• Ensaio de edifício em escala real (full scale test)
• Cardington, UK
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Intensidade de spalling nas lajes e pilares do edifício de testes em Cardington, UK – Fonte: Chana & 
Price, 2003) .
O f t i ê di
• Estruturas incendiadas
O fogo, o concreto e o incêndio
• Dilema: reabilitação ou demolição?
• Intensidade do incêndio
• incêndio acidental
• edifícios projetados cf. legislação vigente
• incêndio intencional (arsoning)
• World Trade Center
• i õ
provocado para 
destruir! • prisões
• Spalling: fenômeno aleatório
• Uso de agregados termicamente estáveis
• Configuração das de armaduras
• Idade do concreto
• Dimensões do elemento de concreto
• Ensaios em pequena escala não são representativos da situação de incêndio real
(influência da amostra)
• Adições
• Locais sujeitos a situações severas de incêndio
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Locais sujeitos a situações severas de incêndio
• materiais altamente inflamáveis (túneis, aeroportos, etc.)
O f t i ê di
• Estruturas incendiadas
O fogo, o concreto e o incêndio
• Dilema: reabilitação ou demolição?
Durante o incêndio, 
em 1972
após 
reabilitação
•Ed Andraus em São Paulo capital – Fonte: Bombeiro Emergência Disponível em:
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Ed. Andraus em São Paulo capital Fonte: Bombeiro Emergência. Disponível em: 
http://www.bombeirosemergencia.com.br/incendioandraus.html. Acesso em 11 set. 2011.