Amanda Almeida Sousa

Izabela de Souza Oliveira

Lívia Mattedi Cardoso

Yuri Porto Nico

Orientação: Profa. Dra. Geilma Lima Vieira

RESUMO

A vida útil das estruturas é influenciada pela ação dos agentes agressivos que estão em contato com o concreto e com as barras de aço. Quando sujeitas à ação excepcional de incêndio, estruturas em concreto armado podem apresentar degradação das propriedades físicas e mecânicas do concreto, em função das características do material, tempo de duração e forma de extinção do fogo. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a condição estrutural do edifício do Núcleo de Pesquisa e Extensão em Ciências do Movimento (NUPEM), da Universidade Federal do Espírito Santo, após a condição de incêndio. Para tanto, foi realizada uma vistoria geral no prédio e posteriormente ensaios de esclerometria, ultrassom e carbonatação, de modo a verificar a integridade da estrutura. Com a análise dos resultados foi possível concluir que a estrutura teve suas propriedades mecânicas alteradas com a ação dos produtos do incêndio e tem sua integridade prejudicada devido a ação desses agentes agressivos nas estruturas de concreto armado.

Palavras-chave: Incêndio. Concreto Armado. Ensaio. Vistoria.

ABSTRACT

The lifespan of the structures is influenced by the action of the aggressive agents that are in contact with the concrete and with the steel. When subjected to the exceptional fire action, structures in reinforced concrete may present degradation of the physical and mechanical properties of the concrete, depending on the characteristics of the material, duration and way of extinguishing the fire. The objective of the present work was to evaluate the structural condition of the Nucleus of Research and Extension in Movement Sciences (NUPEM), Federal University of Espírito Santo, after the fire condition. For this purpose, a general survey was carried out in the building and later sclerometry, ultrasound and carbonation tests were carried out, in order to verify the integrity of the structure. With the analysis of the results it was possible to conclude that the structure had its mechanical properties altered with the action of the products of the fire and its integrity is compromised due to the action of these aggressive agents in the structures of reinforced concrete.

Keywords: Fire. Reinforced Concrete. Test. Survey.

1- INTRODUÇÃO E DESENVOLVIMENTO

No Brasil, após diversas tragédias decorrentes de estruturas de concreto em situação de incêndio, houve a necessidade de desenvolver, implementar e aprimorar instruções técnicas importantes para a prevenção e segurança contra incêndio. Segundo a NBR 15200 (ABNT, 2012) os requisitos gerais de proteção contra incêndio visam reduzir o risco de incêndio, controlar o fogo em estágios iniciais, limitar a área exposta ao fogo, criar rotas de fuga, permitir a operação de combate ao incêndio, além de viabilizar a fuga dos usuários e as operações de combate ao incêndio.

Para Sousa e Silva (2015), o objetivo principal do controle e regulamentação modernos de segurança contra incêndio visa proteger a vida e evitar que caso um incêndio ocorra, seja propagado para fora do local e disseminado rapidamente, com a finalidade de permitir a rápida desocupação do ambiente em chamas, evitando a inalação de fumaça, que é a maior causa de óbito nesses casos.

A importância e preocupação com a prevenção e o combate ao incêndio em estruturas de concreto, deve-se ao fato de que nos projetos estruturais os materiais utilizados nas estruturas sofrem alterações na intensidade das forças de ligação interatômicas na microestrutura, em decorrência de elevação de temperatura, modificando suas propriedades físicas e mecânicas. Nos metais, apenas as propriedades mecânicas são reduzidas em incêndio. Já na madeira e no concreto, além das propriedades mecânicas, a área resistente também pode ser reduzida, devido à carbonização e lascamentos, por exemplo. (TÉCHNE, 2005)

Material incombustível, o concreto endurecido, tem baixa condutividade térmica e não libera gases tóxicos quando exposto ao calor. Em situação de incêndio, o concreto fissura e lasca, o que reduz a área resistente e expõe a armadura ao calor. O aço da armadura, embora quimicamente mais estável do que o concreto endurecido, experimenta os efeitos da dilatação, da fluência e da redução da resistência e do módulo de elasticidade em função das altas temperaturas.

Nos dias atuais, a segurança contra incêndio é considerada em diversos projetos, como por exemplo, em projetos de instalações elétricas e hidráulicos e nos projetos arquitetônicos. Sabe-se que essa preocupação estende-se aos projetos estruturais de edificações de maior porte ou risco, considerando o fato de que os materiais estruturais têm sua resistência reduzida ao serem submetidos a um incêndio.

1.1- Objetivos

O objetivo geral deste projeto de pesquisa é verificar o comportamento físico e mecânico do da estrutura de concreto armado, após situação de incêndio no edifício do Núcleo de Pesquisa e Extensão em Ciências do Movimento (NUPEM), da Universidade Federal do Espírito Santo.

1.1.1 Objetivos Específicos

• Verificar se a estrutura sofreu Carbonatação.

• Determinar a dureza superficial do concreto, após situação de incêndio, por meio de Esclerometria, segundo a NBR 7584:2012;

• Determinar o Módulo de Elasticidade Dinâmico do concreto de acordo com a BS 1881: Part 203 por meio do ensaio de determinação da velocidade do ultrassom, segundo a NBR 8802:2019.

1.2 Revisão Bibliográfica

1.2.1  Carbonatação

A carbonatação é um fenômeno físico-químico que ocorre entre hidratos do cimento e o dióxido de carbono (CO2). Na reação, o dióxido de carbono dissolve-se na água dos poros da estrutura de concreto e produz um ácido carbônico (H2CO3), este reage com alguns componentes presentes na pasta de cimento hidratada, ocorrendo a formação de água e carbonato de cálcio (CACO3) com consequente redução do nível de pH do concreto.

O concreto possui pH normalmente entre 12,6 e 13,5. Com o efeito da carbonatação, estes números reduzem para valores em torno de 8,5. A carbonatação inicia-se na superfície da estrutura e forma a “frente de carbonatação”, que avança em direção ao interior do concreto e, quando atinge a armadura, promove o efeito da despassivação do aço, tornando-o vulnerável. Sem a camada passivadora que protege a armadura, o processo de corrosão será iniciado se ao mesmo tempo houver a combinação de três elementos: eletrólito (umidade), diferença de potencial e oxigênio.

Dessa forma, temos que embora a diminuição da alcalinidade não seja um fator prejudicial ao concreto propriamente dito, a redução do pH se torna crítica para a corrosão da armadura, quando determinadas condições forem reunidas.

1.2.2 Dureza superficial do concreto

A correlação entre a dureza superficial do concreto e as propriedades do concreto são determinados por métodos empíricos e confirmado por ensaios específicos de acordo com a   ABNT NBR 7584:2012. Portanto pode-se estimar a resistência da compressão do concreto a partir da dureza superficial, atentando-se a fatores como a carbonatação que segundo ACI 228.1R (2003) influenciam na dureza superficial, tornando a estimativa da resistência superior à real, logo a resistência deve ser minorada. Segundo a NBR NBR 7584:2012 os ensaios realizados sobre concreto carbonatados conduzem a valores do índice esclerométrico superestimados em 50%.

1.2.3 Determinação da velocidade de propagação de onda ultrassônica no concreto

O ensaio de propagação de onda ultrassônica, normatizado pela NBR 8802:2019, tem como finalidade a detecção de falhas no interior do concreto resultante de diversos motivos, tais como sobrecarga, fadiga, ataque de agentes químicos e, como é o caso deste trabalho, a ação do fogo. A partir da determinação da velocidade de propagação de pulsos ultrassônicos através da estrutura em análise, é possível estimar por meio de correlações a resistência à compressão do concreto e então avaliar as condições de segurança das estruturas.

2. MÉTODOS

2.1 Vistoria

Utilizado em larga escala, o modelo de Lichtenstein (1986) para vistorias, foi o método empregado para reconhecimento dos locais atingidos pelo incêndio no prédio do NUPEM. Primeiramente, foi definida a extensão e o alcance do exame, baseados na suficiência de informações para a elaboração do diagnóstico. Dessa forma, apenas o 2º pavimento do edifício foi vistoriado e dividido em 13 ambientes. Verificou-se que o telhado da edificação não foi atingido pelo sinistro.

O sentido de caminhamento no interior do edifício foi de cima para baixo, no sentido anti-horário. O registro dos resultados foi realizado por meio de indicações em planta baixa e fotografias. Esta metodologia permite a determinação dos ambientes e definição dos locais a serem realizados os ensaios “in loco”.

2.2 Carbonatação

O ensaio da carbonatação consiste na visualização de uma possível alteração de pH da estrutura de concreto, possibilitada através da aspersão de um indicador de pH. Utiliza-se, na maioria das vezes, uma solução de fenolftaleína (1 g da fenolftaleína em 50 ml de álcool etílico e diluição desta mistura em água destilada até completar 100 ml). Para o ensaio, o concreto de cobrimento é fraturado e posteriormente é feita a aspersão da solução. Na ocasião também é possível verificar o estado e o diâmetro efetivo da armadura, além da determinação da espessura efetiva do concreto de cobrimento.

Com o uso de fenolftaleína, é detectada a região carbonatada do concreto, que é aquela que não apresenta alteração de coloração, tendo pH inferior a 8,3. A região não carbonatada assume cor entre rosa a vermelho-carmim, de pH entre 8,3 e 9,5, ou somente vermelho carmim, de pH superior a 9,5. Dessa forma, tem-se que após da aplicação de fenolftaleína a zona carbonatada

2.3 Avaliação da dureza superficial e correlação com resistência à compressão

A esclerometria é o ensaio não destrutivo que mede a dureza do superficial do concreto. De acordo com a ABNT NBR 7584:2012 por meio do esclerômetro de reflexão uma massa é impulsionada por uma mola, acumulando energia conhecida e calibrada previamente, realiza um impacto sobre a superfície do concreto que recua a massa por conservação de parte da energia não dissipada no impacto. Com este recuo medido pelo esclerômetro é possível  obter o índice esclerométrico que consiste na média de 16 impactos em áreas espaçadas, descartando os valores que estejam mais de 10% afastados da média.

Os ensaios de avaliação de dureza superficial pelo esclerômetro de reflexão foi executado previamente ao ensaio de carbonatação, na mesma área dos elementos estruturais. Foi retirado a camada de reboco  para expor a superfície do concreto, que foi polida manualmente com disco de carborundum.

O esclerômetro deve ser aplicado na horizontal em uma superfície vertical, sendo possível realizar o ensaio em superfícies horizontais aplicando um coeficiente de correção fornecido pelo fabricante. Após a realização do ensaio pode-se obter resistência do concreto estimada pela correlação com o índice esclerométrico por meio da curva de calibração do fabricante.

2.4 Propagação de onda ultrassônica

Previamente ao início do ensaio de ultrassom, deve ser realizada uma regularização do concreto com pedra abrasiva de forma a, junto com a aplicação de uma camada de gel nas faces dos transdutores, permitir um bom acoplamento entre eles e a superfície do concreto. Ao ligar o equipamento de ultrassom é inserido nele, como dado de entrada, a distância que a onda ultrassônica atravessará, ou seja, a qual distância ficarão os transdutores entre si. Feito isso, os transdutores são posicionados de acordo com o modo de transmissão mais adequado para a situação analisada, levando-se em conta, por exemplo, limitações de acesso às superfícies de concreto. A partir daí, são obtidos no visor do equipamento o tempo e a velocidade da onda.

No caso desta pesquisa, foram realizados dois ensaios com transmissão direta (no pilar 18 e na viga 4) e um ensaio com transmissão indireta (no pilar 12).

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 Vistoria

Seguindo o método proposto por Linchtenstein (1986) para se levantar informações para o entendimento completo da física e mecânica da estrutura de concreto do edifício NUPEM foi realizado vistoria com registro fotográfico. Como resultado foi identificado a área de alcance da verificação e a localização dos ensaios complementares efetuados.

Durante a vistoria foi possível identificar o foco do incêndio, o ambiente 5, e determinar os locais e ensaios a serem realizados. Foi determinado a realização dos ensaios de esclerometria e propagação de onda ultrassônica nos elementos estruturais próximo ao foco do incêndio, estes são o pilar 12, pilar 18 e viga 4. Para avaliar o efeito da carbonatação nos elementos foi definido a realização do ensaio de carbonatação no pilar 12 e pilar 18.

3.2 Carbonatação

No ensaio realizado utilizou-se uma solução de fenolftaleína. Foram selecionados os elementos estruturais que foram mais expostos aos agentes agressivos para a realização dos ensaios: pilar próximo ao foco do incêndio e pilar localizado na rota de fuga da fumaça, rica em CO2. Delimitou-se uma área do pilar a ser ensaiada e, com o auxílio de uma marreta e uma ponteira, retirou-se a camada de reboco presente. Prosseguiu-se com a fratura do concreto de cobrimento e, tendo uma área razoável para avaliação, foi feita a aspersão da solução com o indicador.

Através de uma inspeção visual, foi possível identificar que a zona ensaiada apresentou-se incolor, portanto, com pH inferior a 8,3, o que indica possível carbonatação do pilar.

A elevação de temperatura promove a fissuração do concreto e consequentemente a entrada de CO2, causando o avanço da frente de carbonatação. Esta situação pode ser agravada em estruturas onde o incêndio foi extinguido por ação do corpo de bombeiros. Portanto a carbonatação no concreto pode comprometer a integridade da estrutura quanto a sua durabilidade (OLIVEIRA et al., 2018).

3.3 Esclerometria

A partir do ensaio de avaliação da dureza superficial pelo esclerômetro de reflexão realizado de acordo com a NBR 7584 nos elementos estruturais descritos no figura XX obteve-se a valor estimado da resistência à compressão do concreto:

Portanto a partir dos resultados apresentados no ensaio de carbonatação pode-se inferir que os resultados do ensaio de esclerometria tem seus valores de resistência a compressão do concreto superestimados. O pilar 12, viga 4 e pilar 18 apresentou, respectivamente, resistência a compressão de 24 Mpa, 52 Mpa e 60 Mpa, porém estes resultados devem ser analisados em conjunto com os valores obtidos no ensaio de ultrassom, pois isolado este resultado é superestimado e inconclusivo.

3.4 Propagação de onda ultrassônica

O ensaio foi realizado em três componentes estruturais do edifício, sendo dois deles pelo método direto e um dele pelo método indireto devido a limitações de acesso.

Determinadas as velocidades de propagação do ultrassom, estimou-se com interpolações o módulo de elasticidade dinâmico do concreto de acordo com relações empíricas estabelecidas na norma britânica BS 1881: Part 3: 1986. Em seguida determinou-se a resistência à compressão do concreto (fc) segundo Canovas (1988) com a seguinte equação:

fc=3,510^(-9 )Ed-10^(-3)*Ed+200

Onde:

Ed: módulo de elasticidade dinâmico.

Tabela 2: Relação entre a velocidade de ultrassom e o módulo de elasticidade dinâmico.

Velocidade do pulso (km/s)	Módulo de elasticidade dinâmico – Ed (Mpa)
3,6	24000
3,8	26000
4,0	29000
4,2	32000
4,4	36000
4,6	42000
4,8	49000
5,0	58000

• Modo de Transmissão Direta:

Em cada um dos locais de realização do ensaio pelo método direto foram tomadas duas leituras do equipamento, de forma que a velocidade a ser considerada para análise foi a média das duas leituras.

Tabela 3: Resultados do Ensaio de Ultrassom pelo Método Direto.

Elemento Estrutural	Pilar 18	Viga 4
L (cm)	14,6	15,5
v1 (m/s)	4307,0	4178,0
v2 (m/s)	4307,0	4258,0
vmédia (m/s)	4307,0	4218,0
Ed (MPa)	34140,0	32360,0
fc (MPa)	26,7	24,3

• Modo de Transmissão Indireta:

Para a realização do ensaio pelo método indireto, os resultados obtidos estão resumidos na tabela abaixo:

Tabela 4: Resultado do Ensaio de Ultrassom pelo Método Indireto.

Elemento Estrutural	Pilar 12
L2 (cm)	15,0
L1 (m/s)	30,0
t1 (m/s)	52,4
t2 (m/s)	85,7
vmédia (m/s)	4505,0
Ed (MPa)	39150,0
fc (MPa)	34,5

4. CONSIDERAÇÕES GERAIS

Verificou-se com o estudo realizado no edifício do Núcleo de Pesquisa e Extensão do Movimento – NUPEM da Universidade Federal do Espírito Santo campus Goiabeiras – Vitória/ES, que a estrutura sofreu danos em virtude do incêndio ocorrido neste local.

Comprovou-se que parte da estrutura sofreu carbonatação, sendo visualizada por meio da reação química entre o reagente fenolftaleína e o concreto aparente, uma vez que não houve mudança na coloração da maior parte da superfície em que o líquido foi aspergido.

No que diz respeito à dureza superficial do concreto, pelo ensaio de esclerometria por reflexão nota-se, conforme mencionado anteriormente, que o efeito da carbonatação sobre a estrutura de concreto armado, superestima os valores de resistência, haja vista pelas resistências médias encontradas nos elementos estruturais analisados.

Segundo Machado et al. (2009) a estimativa da resistência do concreto pelo método de propagação de ondas ultrassônicas deve ser considerada principalmente quando a estrutura de concreto sofrer carbonatação, pois o método de esclerômetro de reflexão não representa o concreto no interior da peça. O efeito da carbonatação no método de propagação ultrassônica não é tão significativa devido a espessura da camada superficial ser relativamente pequena em comparação a espessura ou o caminho percorrido pela onda.

Dessa forma, entende-se que a abrangência dos ensaios é suficiente para demonstrar as patologias adquiridas na estrutura posteriormente ao incêndio ocorrido. Portanto, pode-se concluir que a estrutura apresenta sinais de carbonatação e resistência a compressão do concreto inferior a resistência de projeto de 30MPa.

5. AGRADECIMENTOS

Ao nosso Deus, que nos sustentou e permitiu que chegássemos até aqui.

Aos nossos pais, que muitas vezes abdicaram dos seus sonhos para nos verem realizar os nossos próprios sonhos.

Aos nossos familiares e amigos, que estiveram conosco nesta longa caminhada.

À nossa professora Geilma Vieira por nos auxiliar no decorrer deste projeto. Aos demais professores do curso de Engenharia Civil da UFES, que nos apoiaram e incentivaram durante todo o curso.

REFERÊNCIAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 15200: projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio. Rio de Janeiro, 2012a.

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7584: Concreto endurecido – Avaliação da dureza superficial pelo esclerômetro de reflexão – Método de ensaio . Rio de Janeiro, 2012.

American Concrete Institute, ACI 228.1R–03, 2003, “In-Place Methods to Estimate Concrete Strength”, Detroit.

BRITISH STANDARD. BS 1881:Part 203. Testing Concrete. Recommendations for measurement of velocity of ultrasonic pulses in concrete. London, British Standars Institution. 1986.

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