3.2.2.1 Simplesmente apoiadas
Nos ensaios de vigas simplesmente apoiadas expostas a altas temperaturas, passou a fazer parte do sistema de ensaios apresentado na seção anterior um forno horizontal elétrico constituído por três módulos que eram posicionados sobre a viga para simular a situação de incêndio, vide n° 22 da Figura 3.11. Ressalta-se que nesse sistema, os apoios não apresentavam quaisquer impedimentos às deformações geradas na viga de concreto armado pela ação do calor.
Os apoios, que foram produzidos com aço S275 JR (designação portuguesa), eram sempre isolados com mantas de lã de silicato alcalino para que fossem preservados ao longo dos ensaios ao fogo (n° 2). O sistema de redistribuição de forças (n° 6), além de preenchido com argamassa refratária, também era protegido pelo mesmo tipo de material. A zona da laje sobre a qual eram realizados os ensaios (n° 15) era salvaguardada pelo uso de mantas de lã cerâmica. Esses detalhes também estão apresentados na Figura 3.11.
O forno elétrico foi produzido pela TermoLab e possuía dimensões internas de 4,5 m de comprimento e 1 m tanto de largura quanto de altura. Era capaz de atingir a temperatura máxima de 1200 °C e produzir diferentes regimes de exposição ao fogo. Nos ensaios realizados para a presente Tese, a sua taxa de aquecimento foi calibrada para seguir a curva de incêndio-padrão ISO 834 (1999).
Legenda: 2. Apoio simples; 6. Sistema de redistribuição de forças; 15. Laje de ensaios; 22. Forno horizontal modular elétrico.
Figura 3.11 – Sistema para ensaios de vigas simplesmente apoiadas em situação de incêndio (a) com apenas um módulo e (b) com os três módulos do forno elétrico posicionados sobre a viga de concreto.
Durante os ensaios experimentais, as temperaturas internas do forno foram monitorizadas por meio da utilização de termopares de sonda tipo k, que foram posicionados em doze pontos localizados entre os três módulos (seis pontos em cada uma das duas seções que uniam os módulos). Como indicado na Figura 3.12, esses termopares foram colocados junto às paredes laterais do forno (n° 23), em pontos coincidentes à base e ao topo da seção transversal da viga de concreto, e também no topo do forno (n° 24), em pontos coincidentes às faces laterais da seção. Assim, era possível certificar que as resistências elétricas localizadas nessas regiões estavam a simular à viga o aquecimento pretendido. Detalhes do posicionamento dos termopares entre os módulos do forno são apresentados na Figura 3.13, enquanto o interior do equipamento pode ser visualizado na Figura 3.14. Esse método para a medição das temperaturas internas foi adotado ao longo de todos os ensaios de vigas em situação de incêndio, ou seja, tanto para aqueles de vigas simplesmente apoiadas quanto com restrições.
Legenda: 1. Viga de concreto armado ensaiada; 22. Forno horizontal modular elétrico; 23 e 24. Termopares de sonda posicionados junto às paredes laterais e ao topo do forno, respectivamente.
Figura 3.12 – Esquema do posicionamento dos termopares de sonda adotados para a medição das temperaturas internas produzidas pelo forno elétrico ao longo dos ensaios.
Legenda: 22. Forno horizontal modular elétrico; 23 e 24. Termopares de sonda posicionados junto às paredes laterais e ao topo do forno, respectivamente.
Figura 3.13 – Detalhes da instrumentação do forno, com termopares de sonda inseridos entre os módulos em (a) uma das faces laterais do equipamento e (b) em sua face superior.
Figura 3.14 – Vista interior de um dos módulos do forno, com as resistências elétricas dispostas nas faces laterais e superior do equipamento.
Os modelos de termopares tipo sonda foram utilizados porque conduziam a resultados mais satisfatórios para fornos elétricos. Apesar das normas ISO 834 (1999) e ASTM E119 (2000) apresentarem prescrições para a instrumentação de fornos indicando o uso de termopares tipo placa, tais prescrições possuem como base a utilização de fornos a gás, situação na qual esse modelo é mais indicado. Moreno Junior e Molina (2012) explicam que os termopares de placa são bem mais sensíveis à radiação do que os de sonda e, por isso, são mais representativos do fenômeno de aquecimento via chama, proveniente dos fornos a gás.
Os termopares de placa não são os mais eficientes para os fornos elétricos, conforme se pôde verificar em algumas análises prévias realizadas no LEME, justamente pelo fato da componente de radiação ser mais significativa nesse caso. Em contrapartida, os termopares tipo sonda são capazes de medir de forma mais coerente a temperatura do ar nos fornos elétricos porque ficam relativamente distantes das resistências, de modo que os seus resultados passam a ser pouco influenciados pela radiação.
Ainda nas normas citadas anteriormente – ISO 834 (1999) e ASTM E119 (2000) – e também na ISO 834 parte 6 (2000), específica para os ensaios de resistência ao fogo em vigas, apontam-se prescrições quanto ao posicionamento e a quantidade de termopares que devem ser utilizados para a medição das temperaturas do forno5. Contudo, essas prescrições não foram adotadas nos ensaios desta Tese porque não se mostraram aplicáveis às características e às dimensões do forno modular elétrico de projeto utilizado.
Além das temperaturas do forno, aferiram-se nos ensaios de vigas em situação de incêndio – simplesmente apoiadas e com restrições – as evoluções das temperaturas internas desses elementos estruturais. Essas foram medidas a partir de fios termopar tipo k, que foram introduzidos em determinados pontos localizados nas mesmas três seções das vigas (S1 a S3) para as quais os deslocamentos verticais foram medidos (Figura 3.5).
5 Mais informações sobre essas prescrições podem ser encontradas na publicação de Moreno Junior e Molina (2012), que também indica as diretrizes da norma brasileira relacionada ao assunto, a ABNT NBR 5628:2001.
Em apenas dois ensaios de vigas simplesmente apoiadas expostas a temperaturas elevadas, os termopares foram colocados nas posições indicadas na Figura 3.15 (a). Para a análise das temperaturas no concreto, estipularam-se os pontos localizados próximos às faces diretamente submetidas à ação do fogo e aqueles localizados na parte central, com o propósito de avaliar as temperaturas atingidas no núcleo da viga e na zona em que o concreto se encontrava sob compressão. Para a análise das temperaturas no aço, posicionaram-se dois termopares, sendo um deles em uma das barras da armadura inferior e outro na armadura superior. Ainda se adotou um termopar para aferir as temperaturas na interface concreto/manta6. Esses ensaios com vários termopares embutidos nas seções S1 a S3 foram realizados com o principal objetivo de analisar os campos térmicos das vigas de concreto armado de forma detalhada. Para as outras vigas que foram ensaiadas ao fogo nesta campanha experimental, apenas quatro termopares foram inseridos em cada uma das seções, vide Figura 3.15 (b), haja vista que um número maior poderia influenciar nos resultados. Isso porque poderiam ser criados pontos de fragilidade nas peças, reduzindo suas respectivas capacidades resistentes. Além disso, os fios de termopar poderiam ocasionar a abertura de vazios para a saída de vapor, o que também poderia modificar o comportamento das vigas frente à situação de incêndio. Todavia, considerando que foram realizados dois ensaios exclusivamente para determinar os campos térmicos das vigas, esses três termopares se mostraram suficientes para a validação dos demais resultados.
Por fim, é válido citar que apenas uma peça foi analisada com três termopares a cada seção (Figura 3.15-c), pois nessa não havia a presença da manta na sua face superior. Esse foi um ensaio adicional, a fim de verificar como se comportavam as temperaturas do elemento sem a presença do material isolante.
6 Conforme será discutido com detalhes na seção 3.3 Vigas ensaiadas, as mantas de lã de silicato alcalino foram