Concreto Leve – parte 2

Esse post dará continuidade ao assunto sobre o Concreto Leve, aprofundando um pouco mais através de estudos atuais. Para visualizar a primeira parte, clique aqui.

Estrutura porosa da argila expandida (Fonte: Ke, et al., 2009)

Estrutura porosa da argila expandida (Fonte: Ke, et al., 2009)

Como visto no primeiro post, o concreto leve é excelente para o isolamento térmico/acústico, e quando possui alta resistência, é possível utilizá-lo para funções estruturais pois o agregado leve apresenta excelente capacidade ligante com a pasta de cimento. Tais características particulares, estas que se aplicam de forma muito complexa, necessitam muitos ensaios experimentais para prever o comportamento do concreto leve. Isso também reflete nas propriedades do agregado leve: os grãos não são fáceis de serem cortados, eles geralmente são esmagados, o que torna difícil mensurar experimentalmente suas propriedades.

Os agregados leves possuem grande porosidade, o que acarreta em grande deformabilidade e baixa resistência à compressão se comparados com os agregados de peso normal. Esse fato faz com que o componente de fraqueza do concreto leve não seja a matriz de cimento, e sim o agregado leve. Portanto, o regime do desempenho mecânico do concreto leve não é controlado apenas pela matriz, e sim também pelo agregado.

A absorção de água, que é fácil de ser medida, pode ser uma síntese dos parâmetros complementares dos agregados leves, como espessura da camada exterior, macroporosidade e porcentagem de grãos quebráveis. O desempenho mecânico do concreto leve parece ser substancialmente proporcional à razão entre densidade e absorção.

Experimentos mostram que a resistência do concreto diminui com o aumento do volume da fração de agregado leve, isso ocorre porque a argamassa é mais resistente que o agregado. Para um baixo volume de fração de agregados, deve ter o cuidado de não formar o fenômeno de segregação. Para a mesma matriz de argamassa e um volume constante de fração de agregados, o coeficiente de absorção de água influencia negativamente o comportamento mecânico do concreto leve.

Acúmulo de bolhas de ar ao redor do agregado leve decorrente da absorção de água (Fonte: EUROLIGHTCON, 2000c).

Acúmulo de bolhas de ar ao redor do agregado leve decorrente da absorção de água (Fonte: EUROLIGHTCON, 2000c).

Portanto a densidade do agregado não é suficiente para caracterizar o comportamento mecânico dos concretos leves, pois os concretos apresentam módulos de elasticidade diferentes mesmo apresentando agregados de densidades iguais. Isso confirma o importante papel desempenhado pela camada externa das partículas de agregados nos comportamentos mecânicos destes. Logo, se basear apenas na densidade dos agregados fará com que os valores do módulo considerados serão descritos com alguma incerteza e, consequentemente, pode levar a previsão incorreta.

Um método utilizado para solucionar problemas complexos como este, é a Modelagem Computacional, que consiste em analisar os fenômenos e desenvolver modelos matemáticos para sua descrição, com a elaboração de códigos computacionais avançados. Além disso, a simulação computacional de ensaios mecânicos visa auxiliar na compreensão do comportamento dos materiais, diminuindo os gastos evidentes da análise experimental que requer a preparação de muitos corpos de prova, gerando altos custos, tempo de ensaio e desgaste dos instrumentos.

Malha de elementos finitos, com destaque para os agregados

Malha de elementos finitos, com destaque para os agregados

Porém, a modelagem das propriedades mecânicas do concreto feito com agregados leves é muito difícil de se realizar, devido ao alto grau de complexidade e heterogeneidade dos componentes do material. Contudo, alguns estudos se mostram promissores e convergem para criar uma ferramenta confiável e precisa que preveja as propriedades mecânicas do concreto leve. Como exemplos tem-se o Método iterativo de homogeneização inversa de Ke, et al. da University of Cergy-Pontoise na França, e o Método de inteligência computacional SVR elaborado na UFJF (link se encontra nas fontes).

Segregação do concreto leve pela frequência de vibração (Fonte: VIEIRA, 2000)

Segregação do concreto leve pela frequência de vibração (Fonte: VIEIRA, 2000)

Fontes: Estudo da Resistência à Compressão de Concretos Leves Produzidos com Argila Expandida Nacional – IBRACON 2009Estratégia computacional para avaliação de propriedades mecânicas do concreto, PGMC – UFJF; Ke, Y. et al., 2009. Influence of volume fraction and characteristics of lightweight aggregates on the mechanical properties of concrete; Ke, Y. et al., 2014. Micro-stress analysis and identification of lightweight aggregate’s failure strength by micromechanical modeling.

Anúncios

O BIM e suas características

O BIM (Building Information Modeling), é uma plataforma formada por um conjunto de programas trabalhando juntos para a criação de um modelo tridimensional. É carregado de diversas informações referentes as mais diversas vias do projeto de acordo com o detalhamento … Continuar lendo

Visita técnica ao Instituto Nacional de Tecnologia (INT)

O Instituto Nacional de Tecnologia (INT) é uma instituição pública federal vinculada ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação. O INT foi fundado por Ernesto Lopes da Fonseca Costa em 28 de dezembro de 1921 e fica localizado na cidade do Rio de Janeiro.

História

Foi criado para investigar e divulgar os processos industriais de aproveitamento de combustíveis e minérios no Brasil, sendo inicialmente chamado de Estação Experimental de Combustíveis e Minérios (EECM). Desde sua criação vem realizando pesquisas e desenvolvendo soluções tecnológicas integradas às atividades de produção e gestão de bens e serviços sendo responsável por diversos avanços na área da ciência e tecnologia como a criação do primeiro automóvel movido a álcool do mundo e criação do Brazilian Test, método de ensaio de resistência do concreto reconhecido e adotado mundialmente, entre outros. O Instituto Nacional de Tecnologia atua à frente e participa de projetos, atendendo a demandas de programas estratégicos de governo, de empresas, redes temáticas e outras instituições de pesquisas.

Os alunos do PET Civil e do GET Engenharia Computacional da Universidade Federal de Juiz de Fora visitaram o Instituto e conheceram algumas das atividades que vem sendo desenvolvidas.

O Laboratório de Modelos Tridimensionais (LAMOT)

O LAMOT desenvolve modelos (virtuais e reais) que tem as mais diversas aplicações. São produzidos desde peças mecânicas até fetos, escaneados por meio da ultrasonografia.

Para reproduzir estes complexos modelos o laboratório conta com equipamentos de última geração, tais como: sistema de prototipagem rápida; FDM, que trabalha com plástico, ABS; SANDERS, que trabalha com cera; scanner tridimensional; softwares de modelagem tridimensional; fresadora CNC; máquina de vacuum-forming; e Injetora de baixa pressão. Possui ainda uma oficina convencional completa, apta a trabalhar com plásticos, madeiras e metais.

Impressora FDM (Fuse Deposition Model)

Embora a maioria dos modelos impressos no LAMOT tenham sido encomendados por empresas, alguns foram feitos com outras finalidades. Os modelos de fetos por exemplo já foram utilizados para permitir que um casal cego pudesse “ver” o filho antes mesmo do seu nascimento. Como os modelos são obtidos por meio da ultrassonografia    eles reproduzem fielmente a realidade, além disso a alta definição das impressões permite que sejam praticamente idênticos aos espécimes reais. A impressão de fetos também vem sendo importante para explicar aos pais casos de má f0rmação. Outro interessante uso de modelos tridimensionais é o escaneamento de múmias, a tecnologia permite que se conheça o que há no seu interior sem que seja preciso abri-las.

O que é a impressão tridimensional?

Quando falamos em “imprimir”, não nos referimos a uma imagem que pode ser visualizada em três dimensões no papel, mas sim a um objeto realmente construído em 3D.

Se antes era necessário primeiro desenhar um produto por meio de várias perspectivas, depois projetá-lo em três dimensões para somente então repassá-lo a um artesão especializado, que seria incumbido da tarefa de produzir o primeiro molde (por preços muito elevados), hoje só é necessário projetar o modelo por meio de um aplicativo que lide com objetos 3D e mandá-lo direto para a impressão. Esse processo é muito usado por empresas para prototipagem de produtos, desta forma, os fabricantes podem testar e visualizar tudo com mais agilidade e precisão, tendo noção exata de proporções, falhas de projeto, questões de conforto e segurança (ou design) e do próprio funcionamento.

O Processo

Primeiro é necessária a obtenção de um modelo virtual, que pode ser criado ou obtido por meio de escaneamentos, ultrassonografias, ressonância, entre outros processos. Esses modelos são transferidos para as impressoras que irão construí-los a partir de diversos materiais (gesso, polímero, etc). A tecnologia de impressão 3D é chamada aditiva, pelo fato de serem adicionadas sucessivas camadas de material, e não subtraídas a partir de um bloco compacto. Essa característica permite o uso simultâneo de diversos materiais.
Após saírem da impressora os modelos precisam passar por um pós-processamento para que sejam finalizados. Esta etapa é feita em uma oficina convencional.

Máquina de impressão a gesso / Modelo antes do acabamento / Oficina de acabamento

Fontes: INT, Techmundo

Concreto submetido à altas temperaturas / Incêndio em edificações

Notícias sobre incêndios em construções são quase comuns no dia-a-dia das grandes cidades. Fiação antiga e sem manutenção, acidentes com produtos químicos e falha humana são os principais fatores causadores destas catástrofes.

Seguindo o post sobre a nova NBR 15200 – Projeto de Estruturas de Concreto em Situação de Incêndio, vamos falar um pouco sobre o comportamento do concreto em casos extremos como estes.

É fundamental, para a elaboração do projeto de um edifício, considerar o comportamento das estruturas de concreto quando submetidas à altas temperaturas, pois com o aumento progressivo desta, as propriedades mecânicas do concreto começam a degradar, podendo ocorrer colapso estrutural. O atendimento às normas é importantíssimo, quando consideramos a segurança da construção.

O concreto pode ser submetido à temperaturas elevadas acidentalmente ou estas podem fazer parte de suas condições normais de trabalho. Estas situações se distinguem pela elevação brusca ou gradual da temperatura. Um caso famoso de elevação de temperatura acidental é o incêndio do Canal da Mancha, em 1996. Observe o dano causado pelo fogo às paredes do túnel:

Outra situação comum é a de estruturas feitas para trabalhar sob temperaturas elevadas, como alguns componentes de usinas nucleares, altos-fornos ou repositórios de rejeitos radioativos. Nestes casos, por razão de segurança, a estrutura deve ser capaz de suportar temperaturas elevadas e de longa duração sem perder a capacidade estrutural. E, no caso de usinas nucleares, mantendo a propriedade de confinamento de materiais radioativos.

Abaixo, o edifício de confinamento do reator da Usina Callaway, no estado de Missouri, EUA, com mais de 2 metros de grossura de concreto e metal.

O concreto é um material poroso, altamente heterogêneo e composto por várias fases – podendo conter em seu interior fluidos na forma líquida e gasosa. Quando exposto a condições de temperatura elevada, há a ocorrência de fenômenos físicos e químicos, que alteram a estrutura porosa e as propriedades do meio.

Como a reação de hidratação do cimento é reversível e termoativada, a exposição do concreto à temperaturas elevadas pode ter efeitos deletérios, com a ocorrência de desidratação da matriz a base de cimento, fissuração devido a pressões internas geradas pela evaporação da água de amassamento remanescente da mistura e ao desplacamento superficial (“spalling”, como é visto na imagem do Canal da Mancha).

Ainda, os concretos comuns e de alta resistência se comportam de maneiras bem distintas quando submetidos aos mesmos grau e taxa de aquecimento. O concreto de alta resistência tende a desenvolver maiores pressões nos seus poros, uma vez que é mais compacto do que o concreto comum, reagindo então através do fenômeno do “spalling”.

O comportamento de estruturas submetidas a solicitações causadas por temperatura é analisado através de métodos numéricos, como a malha de Elementos Finitos mostrada abaixo:

Nota-se o baixo coeficiente de condutividade térmica do concreto: em 23 cm de espessura, a temperatura caiu de aprox. 570⁰C para 50⁰C. Esses resultados são testados experimentalmente e validados, conforme fontes.

Na elaboração de projetos de edifícios residenciais, públicos e industriais, uma das considerações feitas é a seguranca humana na ocorrência de fogo. O uso do concreto, por não ser combustível, não emitir gases tóxicos e ser capaz de conservar resistência suficiente por períodos extensos, permite operações de resgate e diminui os riscos de colapso estrutural.

Fontes e Agradecimentos:

Rafaela De Oliveira Amaral, SIMULACÃO DO COMPORTAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO SUBMETIDAS A INCÊNDIOS

Anna Paula Guida Ferreira, MODELAGEM DOS FENÔMENOS DE TRANSPORTE TERMO-HÍDRICOS EM MEIOS POROSOS SUBMETIDOS A TEMPERATURAS ELEVADAS: APLICAÇÃO A UMA BICAMADA ROCHA-CONCRETO