Concreto reforçado com fibras: Desempenho em situações de incêndio

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ARTIGO DE REVISÃO

OLIVEIRA, Cecilia Prado De [1]

OLIVEIRA, Cecilia Prado De. Concreto reforçado com fibras: Desempenho em situações de incêndio. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 10, Vol. 02, pp. 43-50. Outubro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/situacoes-de-incendio

RESUMO

O concreto reforçado com fibras é responsável pela construção de estruturas altamente tenazes, com grande resistência ao impacto e à fadiga. Porém, o seu comportamento em situações de incêndio ainda necessita de estudos mais aprofundados, e que permitam o estabelecimento de requisitos normativos claros, de modo a garantir a segurança dos projetos. Por meio desta revisão bibliográfica, estabeleceu-se que a degradação das fibras, seu teor e material constituinte são fatores determinantes no desempenho dessas estruturas em incêndios. A resistência à tração é a propriedade mais afetada pelas altas temperaturas, que prejudicam ainda a tenacidade, resistência à compressão, módulo de elasticidade, entre outros aspectos. Por fim, conclui-se que a proteção térmica dos elementos estruturais é uma alternativa eficaz para aprimorar o desempenho do concreto reforçado com fibras em incêndios.

Palavras-chave: Concreto reforçado com fibras, incêndio, segurança.

1. INTRODUÇÃO

A compreensão do desempenho das estruturas em situações de incêndio é imprescindível para garantir a segurança dos projetos, de modo a evitar acontecimentos catastróficos e preservar vidas. Portanto, na medida em que as técnicas construtivas evoluem, é fundamental investigar seu comportamento em relação ao fogo.

O reforço do concreto com fibras de diferentes materiais permite a construção de elementos estruturais com alta tenacidade e, consequentemente, grande resistência ao impacto e fadiga (MEHTA; MONTEIRO, 2006). Por isso, percebe-se seu crescente uso em edificações, túneis, fabricação de pré-moldados, entre outros.

Porém, o comportamento do concreto reforçado com fibras (CRF) em situações de incêndio ainda necessita de investigações mais aprofundadas. De acordo com Agra et al. (2020), as normas nacionais e internacionais não apresentam requisitos claros nesse sentido, o que pode levar à escolha de soluções inadequadas. Além disso, a falta de informação sobre o assunto desestimula o uso dos CRF em determinados projetos (BISBY; KODUR; GREEN, 2005).

Desse modo, considerando-se a relevância do tema e a carência de informações a respeito, este artigo propõe-se a realizar uma revisão sobre o comportamento do concreto reforçado com fibras em situações de incêndio, de modo a analisar evidências obtidas em estudos anteriores e auxiliar futuras pesquisas.

2. METODOLOGIA

Este trabalho trata-se de uma revisão bibliográfica, baseada no estudo da literatura publicada a respeito do desempenho do concreto reforçado com fibras em situações de incêndio. As informações coletadas em livros, artigos e dissertações foram analisadas, a fim de identificar as principais contribuições das investigações realizadas sobre o tema. A seguir, realizou-se a integração e síntese dos dados, e a discussão dos resultados por meio deste artigo.

3. CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS

O concreto reforçado com fibras (CRF) é feito com a adição de um reforço fibroso contínuo ou descontínuo ao concreto, de modo a aprimorar algumas de suas propriedades. As fibras podem ser produzidas com diferentes materiais, a saber: metal, carbono, polímero, acrílico, vidro resistente a álcalis, entre outros (THOMAZ, 2001).

A principal vantagem obtida com a adição de fibras é o aumento da tenacidade do concreto, ou seja, sua capacidade de absorver energia elástica e plástica até a ruptura. Desse modo, tem-se o aumento da sua resistência ao impacto e à fadiga (MEHTA; MONTEIRO, 2006). Além disso, Carneiro e Irrigay (2018) mencionam ganhos nas resistências à abrasão e ao cisalhamento.

Os reforços fibrosos suportam as cargas aplicadas, controlam o processo de fissuração e aumentam a resistência do concreto após o surgimento de fissuras. Desse modo, embora não seja seu principal objetivo, há um incremento na resistência à compressão e à tração (GONÇALVES; LIMA; RODRIGUES, 2019).

De acordo com Mehta e Monteiro (2006), em geral, as fibras prejudicam a trabalhabilidade do concreto, o que aumenta a necessidade de aditivos plastificantes, incorporadores de ar ou maior consumo de cimento. Além disso, não se recomenda que os agregados tenham diâmetros maiores que 19 mm, e ressalta-se que o slump test pode não ser um bom indicador da trabalhabilidade desses concretos.

Desde que se garanta a proteção das fibras, os CRF têm grande durabilidade, pois são feitos com alto consumo de cimento e pequena relação água/cimento. Ademais, os reforços fibrosos têm pouco efeito sobre o módulo de elasticidade, retração por secagem e fluência. O seu colapso dá-se por tração ou arrancamento das fibras (MEHTA; MONTEIRO, 2006).

Desse modo, considerando-se as vantagens mencionadas, o uso dos concretos reforçados com fibras cresceu significativamente ao longo dos últimos anos, destacando-se sua aplicação em túneis, pisos industriais e tubulações. Por fim, pontua-se que as técnicas construtivas associadas ao seu uso são simples, requerem pouca mão de obra e adaptam-se ao uso em pré-moldados e concretos projetados.

4. INCÊNDIOS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO

O concreto é um material incombustível, capaz de manter a resistência em altas temperaturas durante um intervalo de tempo razoavelmente longo. Porém, o fogo altera sua composição química e microestrutura, bem como suas propriedades de resistência e rigidez (MEHTA; MONTEIRO, 2006).

De acordo com Serafini; Rambo e Figueiredo (2018), a água livre presente no concreto é expelida em temperaturas de aproximadamente 100 ºC. Devido ao alto calor necessário nesse processo, a temperatura mantém-se constante até a evaporação de toda a água livre. A seguir, os produtos de hidratação da pasta de cimento decompõem-se, e sua água de composição é liberada até cerca de 800 ºC. Por fim, tem-se a descarbonatação do carbonato de cálcio.

Os resultados desses processos incluem fissuração, deformação, diminuição da resistência mecânica e, em alguns casos, fragmentação explosiva (SERAFINI; RAMBO; FIGUEIREDO, 2018). Mehta e Monteiro (2006) destacam ainda que o módulo de elasticidade decai mais rapidamente que a resistência à compressão, pois a fissuração tem maior impacto nessa propriedade.

O comportamento do concreto em situações de incêndio dependerá de inúmeros fatores, dentre os quais pode-se mencionar: composição e permeabilidade do concreto; geometria do elemento estrutural; temperatura; tempo de exposição ao fogo. Além disso, a composição mineralógica dos agregados determinará a diferença de expansão térmica em relação à pasta de cimento e, consequentemente, a geração de fissuras (MEHTA; MONTEIRO, 2006).

5. CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS EM SITUAÇÕES DE INCÊNDIO

As características da interface entre pasta de cimento e fibras são muito importantes para o desempenho dos CRF. Portanto, a modificação das fases constituintes do concreto por ação de altas temperaturas afeta significativamente as propriedades dessas estruturas (CÉSAR; MORELLI; BALDO, 1999).

De acordo com Agra et al. (2020), o comportamento dos concretos reforçados com fibras em situações de incêndios é similar ao concreto comum em alguns aspectos, como a decomposição dos produtos de hidratação, aumento do volume de poros, fissuração e diminuição da massa específica. Além disso, soma-se a degradação do reforço fibroso.

Li et al. (2019) relatou, em seus experimentos com concretos reforçados com fibras de aço, que aos 30 minutos iniciou-se a evaporação da água livre. Aos 50 minutos, atingiu-se uma temperatura de 120 ºC e praticamente toda a água livre já havia evaporado. Finalmente, aos 140 minutos e 230 ºC, houve o colapso dos elementos estruturais, com grande fissuração, deformação e desplacamento na parte inferior da laje.

A resistência à tração é a propriedade mais afetada nos CRF expostos a incêndios, com decréscimos de cerca de 70% em temperaturas acima dos 300 ºC, devido à degradação dos reforços fibrosos e perda de sua capacidade resistente. De acordo com Agra et al. (2019), em concretos reforçados com fibras de aço, para o nível de fissuração de 0,5 mm, correspondente ao Estado Limite de Serviço (ELS), a redução foi de 64,06%, e para fissuração 0,25 mm, referente ao Estado Limite Último (ELU), foi de 59,77%.

Além disso, tem-se um grande decréscimo no módulo de elasticidade, tenacidade, resposta a sismos e capacidade de dissipar energia (LI et al., 2019). Em relação ao decréscimo na resistência à compressão, Novák e Kohoutková (2016) relatam que, em concretos com reforço fibroso híbrido de aço e polímero, a resistência residual aos 400 e 600 ºC é, respectivamente, 60 e 35% da resistência inicial.

O material usado na produção das fibras tem grande influência em seu comportamento em incêndios. O aço perde o encruamento na temperatura de recristalização, em torno de 500 ºC, com prejuízos a sua resistência e ductibilidade. Além disso, as fibras se tornam friáveis em razão da redução da seção transversal e aumento do tamanho do grão. Aos 700 ºC, o reforço fibroso não contribui mais com a resistência do concreto (AGRA et al., 2020).

Por outro lado, as fibras poliméricas têm temperatura de fusão de 160 ºC, o que torna suas propriedades estruturais mais sensíveis a elevações de temperatura, embora reduzam a possibilidade de lascamento explosivo (SERAFINI; RAMBO; FIGUEIREDO, 2018). Nesse sentido, Bisby, Kodur e Green (2005) afirmam que o concreto com fibras poliméricas pode alcançar desempenho satisfatório, se for projetado adequadamente.

Ressalta-se ainda que os danos às estruturas em situações de incêndio não acontecem de forma uniforme, mas concentram-se em algumas regiões. Assim, as tensões originadas por áreas com diferentes temperaturas devem ser consideras ao estudar-se o comportamento dos materiais nessas situações (LI et al., 2019)

Desse modo, percebe-se que o material das fibras, a geometria dos elementos e as características do incêndio terão influência no desempenho das estruturas em relação ao fogo. Ademais, concretos com maior teor de fibras e menor relação água/cimento apresentam maiores resistências residuais. Segundo César, Morelli e Baldo (1999), concretos com 20 kg/m3 de fibras metálicas têm resistência mecânica semelhante a concretos comuns, mas resistência residual entre 16 e 67% maior após incêndios.

Por outro lado, Dias (2019) relata que os concretos reforçados com fibras têm maior perda de massa nos momentos iniciais de um incêndio, mas resultados compatíveis aos concretos comuns após os 700 ºC, pois os danos às fibras e as fissuras mais importantes já estão consolidados nessa temperatura. De modo geral, os resultados sugerem a realização de estudos mais aprofundados.

6. PROTEÇÃO

Os elementos estruturais de concreto reforçado com fibras podem receber proteção térmica em suas faces, de modo a aprimorar seu desempenho em situações de incêndio. A proteção térmica poderá dar-se através de uma camada de argamassa projetada ou tinta intumescente antichamas.

Porém, ressalta-se que as tintas intumescentes agem a partir de 200 ºC, temperatura na qual se expandem, tornando-se um filme espesso que inibe a ação das chamas sobre os materiais. Dessa maneira, percebe-se que essa proteção não é adequada no caso de fibras poliméricas, cujo ponto de fusão é 160 ºC (OLIVEIRA, 2012).

Por outro lado, precisamente por causa da sensibilidade a altas temperaturas, Zhou e Wang (2019) reforçam a importância da proteção térmica em concretos com adição de polímeros como reforço fibroso. Nesse sentido, a argamassa projetada mostra-se como uma alternativa eficiente.

Bisby; Kodur e Green (2005) realizaram experimentos em colunas de concreto reforçado com fibras poliméricas, com camada de proteção térmica. As colunas conseguiram resistir a 5,5h de incêndio, com um pequeno alongamento. A sua falha ocorreu de forma abrupta e explosiva, na metade da altura dos elementos.

Houve ainda um platô na curva de aquecimento, onde a temperatura manteve-se em 100 ºC por até 3h, devido à evaporação da água livre. Em geral, os resultados foram satisfatórios e demonstram que os CRF com proteção térmica adequada conseguem manter suas propriedades por tempo suficiente para evacuação das edificações.

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O concreto reforçado com fibras permite a criação de estruturas altamente tenazes, com grande resistência ao impacto e à fadiga. Por causa das inúmeras vantagens, houve um significativo crescimento em seu uso ao longo dos anos e, consequentemente, tem-se a necessidade de investigar suas propriedades.

O comportamento do concreto com reforço fibroso em situações de incêndio é similar ao concreto convencional em alguns aspectos, mas é influenciado pela degradação das fibras, seu teor e material. As fibras de aço tornam-se friáveis e deixam de contribuir com a resistência do concreto quando este atinge cerca de 700 ºC, enquanto as fibras poliméricas degradam-se aos 160 ºC.

A propriedade mais afetada por incêndios nos CRF é a resistência à tração. Ademais, o fogo e as altas temperaturas prejudicam a tenacidade, resistência à compressão, módulo de elasticidade e resposta a sismos. Por fim, estabelece-se a possibilidade de executar uma proteção térmica nos elementos de concreto reforçado com fibra. Nesse sentido, a argamassa projetada mostra-se como uma opção altamente eficaz, inclusive no caso do reforço polimérico, que é mais sensível à elevação da temperatura.

8. REFERÊNCIAS

AGRA, Ronney Rodrigues, et al. Avaliação dos efeitos do fogo na resistência à tração residual do concreto reforçado com fibras de aço por meio do ensaio DEWS (Double Edge Wedge Splitting). In: CILASCI – Congresso Ibero-Latino-Americano em Segurança contra Incêndio, 5. Porto, 2019. Disponível em: encurtador.com.br/apx34. Acesso em 16/09/2020.

AGRA, Ronney Rodrigues, et al. Incêndios em túneis construídos com concreto reforçado com fibras com função estrutural. Concreto e Construções, Ed. 97, p. 54-60, 2020. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/340417944_Incendio_em_tuneis_construidos_com_concreto_reforcado_com_fibas_com_funcao_estrutural. Acesso em 11/09/2020.

BISBY, Luke A.; KODUR, Venkatesh K. R.; GREEN, Mark F. Fire endurance of fiber-reinforced polymer-confined concrete columns. ACI Structural Journal, v. 106, n. 6, p. 883-891, 2005. Disponível em: https://bityli.com/Lxi4b.  Acesso em 09/09/2020.

CARNEIRO, Roberto Carlos; IRRIGAY, Mario Arlindo Paz. Ganhos mecânicos decorrentes de adição de diferentes teores de fibras de aço no concreto auto adensável. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento, Ano 03, Ed. 10, v. 8, p. 5-10, 2018. Disponível em: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/fibras-de-aco. Acesso em 16/09/2020.

CÉSAR, L. C. D.; MORELLI, A. C.; BALDO, J. B. O efeito da temperatura na resistência mecânica do concreto de cimento Portland reforçado com fibras metálicas. In: Congresso Brasileiro de Cerâmica, 43. Florianópolis, 1999.

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ZHOU, Jun; WANG, Lu. Repair of fire-damaged reinforced concrete members with axial load: a review. Sustainability, v. 11, n. 4, 2019. Disponível em: https://www.mdpi.com/2071-1050/11/4/963/htm. Acesso em 19/09/2020.

[1] MBA Em Gestão De Projetos; Pós-Graduanda Em Engenharia De Estruturas De Concreto Armado; Pós-Graduanda Em Engenharia De Segurança Do Trabalho; Graduação Em Engenharia Civil.

Enviado: Setembro, 2020.

Aprovado: Outubro, 2020.

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