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CENTRO UNIVERSITÁRIO CESMAC
ALYNE BELARMINO BRANDÃO ANDRESSA TENÓRIO CAVALCANTE
ANÁLISE UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS, DA
VARIAÇÃO DE TEMPERATURA PARA DIFERENTES
GEOMETRIAS DE BLOCOS DE COROAMENTO
MACEIÓ – AL 2019/1
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ALYNE BELARMINO BRANDÃO ANDRESSA TENÓRIO CAVALCANTE
ANÁLISE UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS, DA
VARIAÇÃO DE TEMPERATURA PARA DIFERENTES
GEOMETRIAS DE BLOCOS DE COROAMENTO
Trabalho de conclusão de Curso apresentado como
requisito final, para conclusão do curso de
Engenharia Civil no Centro Universitário CESMAC,
sob a orientação do Mestre Ricardo Sampaio Romão
Filho e coorientação da Mestre Danúbia Teixeira
Silva.
MACEIÓ – AL
2019/1
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REDE DE BIBLIOTECAS CESMAC
SETOR DE TRATAMENTO TÉCNICO
Bibliotecário: Evandro Santos Cavalcante CRB/4 1700
C376a Cavalcante, Andressa Tenório
Análise utilizando elementos finitos da variação de
temperatura para diferentes geometrias de blocos de
coroamento / Andressa Tenório Cavalcante .— Maceió:2019.
42 f.: il.
TCC(Graduação em Engenharia Civil)- Centro
Universitário CESMAC, Maceió, AL 2019
Orientador: Ricardo Sampaio Romão Filho
1. Variação da temperatura. 2. Concreto massa. 3. Calor de hidratação. 4. Ansys.
I. Romão Filho, Ricardo Sampaio. II. Título.
CDU:624.012.4
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AGRADECIMENTOS
Queremos em primeiro lugar agradecer a Deus, pois Ele foi nosso melhor
companheiro, nos ajudou em toda nossa trajetória, a Ele rendemos toda a glória,
amor e gratidão, pois sem a Sua ajuda não estaríamos aqui. Aos professores,
Emerson Acácio que foi o nosso primeiro orientador, mas por motivos maiores não
pôde permanecer; obrigada por toda dedicação em nos orientar e nos ajudar nessa
fase que foi tão árdua. Ao Ricardo Sampaio por nos acolher, transmitindo o seu
conhecimento e nos ajudando a concluir nosso trabalho, Anne Dayse que desde o
início nos direcionou em todo o desenvolvimento, auxiliando com as melhores
ferramentas e Danubia Teixeira por toda a ajuda; muitíssimo obrigada a todos que
colaboraram para a conclusão de mais uma etapa, nos proporcionando um fim
satisfatório.
Alyne Brandão – É chegado ao fim um ciclo de muitos sorrisos, choros e
saudades, onde quero dedicar todo o meu agradecimento aos meus pais, Ana
Patrícia e Edivaldo Brandão que não mediram esforços para que eu pudesse chegar
até aqui, sempre me ajudando e me proporcionando o melhor. Ao meu irmão Júnior,
que sempre me incentivou nessa jornada, me encorajando e animando nos dias
difíceis. A todos que estiveram comigo durante este percurso, muito obrigada.
“Que darei eu ao Senhor, por todos os benefícios que me tem feito?”
Salmos 116.12
Andressa Tenório – Ao fim dessa jornada de muita dedicação e esforço,
dedico todo meu agradecimento aos meus pais, Denise Cavalcante e Elias Felino,
por sempre terem me incentivado nas horas de desanimo e cansaço e por todo
apoio incondicional . Aos meus irmãos Alícia Tenório e Natalício Holanda que
sempre me fizeram entender que o futuro é feito a partir de constantes dedicação no
presente. A todos que contribuíram para minha formação, muito obrigada.
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ANÁLISE UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS, DA VARIAÇÃO DE
TEMPERATURA PARA DIFERENTES GEOMETRIAS DE BLOCOS DE
COROAMENTO
ANALYSIS USING FINITE ELEMENTS, OF TEMPERATURE VARIATION
FOR DIFFERENT CORONMENT BLOCK GEOMETERS Alyne Belarmino Brandão
Graduanda do Curso de Engenharia Civil
Andressa Tenório Cavalcante
Graduanda do Curso de Engenharia Civil
Ricardo Sampaio Romão Filho
Mestre em Estruturas
Danúbia Teixeira Silva
Mestre em Geotecnia
RESUMO
Este trabalho consiste na análise da variação de temperatura em diferentes dimensões de blocos de
coroamento, que na maioria das vezes demanda uma grande massa de concreto, chamado de
concreto massa, podendo sofrer fissurações de origem térmica, resultantes do calor gerado pela
hidratação do cimento sobre determinadas condições de restrição de deformações, que faz com que
o bloco atinja elevações adiabáticas de temperaturas. As propriedades do concreto como difusividade
térmica, massa específica, condutividade térmica, calor específico, influenciam no surgimento de
manifestações patológicas. O software utilizado para fazer a simulação é o ANSYS®, que utiliza o
método dos elementos finitos para calcular a temperatura no interior do bloco ao longo do tempo.
Após realizar a simulação de cinco blocos de diferentes dimensões, porém com as mesmas
propriedades, ficou comprovado que quanto maior a dimensão do bloco, maior temperatura atingida
no período de cura. Existem métodos para diminuir a temperatura de lançamento do concreto, como
substituir cinquenta por cento da água por gelo em formato de cubos e lascas e dividir a concretagem
em camadas com espaço de tempo entre uma e outra.
PALAVRAS-CHAVE: Variação de Temperatura. Concreto Massa. Calor de
Hidratação. Ansys.
SUMMARY
This work consists in the analysis of temperature variation in different dimensions of pile caps, which
in most often demands a large mass of concrete, known as mass concrete, and can suffer thermal
cracking, resulting from the heat generated by the cement hydration on certain restriction conditions of
deformations, which makes the block to reach adiabatic elevations of temperatures. The properties of
the concrete as thermal diffusivity, specific mass, thermal conductivity, specific heat, influence in the
appearance of pathological manifestations. ANSYS was the software used to run the simulation, which
uses the finite element method to calculate the temperature inside the block over time. After
performing the simulation of five blocks of different dimensions, but with the same properties, it was
verified that the larger the block size the higher the temperature reached in the curing period. There
are methods to lower the temperature of the concrete launch, such as replacing fifty percent of the
water by ice in the form of cubes and chips and divide the concreting into layers with space of time
between one and another.
KEYWORDS: Temperature variation. Mass Concrete. Heat of Hydration. Ansys.
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 7
1.1 Considerações Iniciais ....................................................................................... 7
1.2 Objetivos ............................................................................................................. 9
1.2.1 Objetivo geral .................................................................................................... 9
1.2.2 Objetivos específicos......................................................................................... 9
2 REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................................... 10
2.1 Propriedades do Concreto .............................................................................. 10
2.1.1 Durabilidade do Concreto ................................................................................. 10
2.1.2 Deformabilidade do Concreto ........................................................................... 10
2.1.3 Módulo de Elasticidade .................................................................................... 10
2.2 Propriedades Térmicas do Concreto .............................................................. 11
2.2.1 Coeficiente de Dilatação Térmica ..................................................................... 11
2.2.2 Calor Específico ............................................................................................... 14
2.2.3 Condutividade Térmica ..................................................................................... 15
2.2.4 Difusividade Térmica ........................................................................................ 15
2.2.5 Massa Específica ............................................................................................. 17
2.3 Tensões Térmicas ............................................................................................ 17
2.3.1 Grau de Restrição ............................................................................................ 17
2.3.2 Elevação Adiabática de Temperatura .............................................................. 19
2.4 Concreto Massa ................................................................................................ 20
2.4.1 Fissuras de Origem Térmica ............................................................................ 21
2.4.2 Altura das Camadas ......................................................................................... 22
2.4.3 Intervalo de Lançamento .................................................................................. 22
2.4.4 Consumo de Cimento ....................................................................................... 23
2.4.5 Uso do Gelo no Concreto ................................................................................. 23
2.5 Método dos Elementos Finitos ....................................................................... 24
2.5.1 Análise do Comportamento Térmico do Concreto ........................................... 25
3 Metodologia ......................................................................................................... 26
3.1 Pesquisa Bibliográfica ..................................................................................... 26
3.2 Método Utilizado ............................................................................................... 26
3.3 Definição da Amostra....................................................................................... 26
3.4 Propriedades Térmica do Concreto ................................................................ 26
3.5 Modelagem da Amostra ................................................................................... 28
4 RESULTADOS OBTIDOS ................................................................................... 29
4.1 Bloco 1x1x1m ................................................................................................... 29
4.2 Bloco 2x2x2m ................................................................................................... 31
4.3 Bloco 3x3x3m ................................................................................................... 33
4.4 Bloco 6x6x6m ................................................................................................... 35
4.5 Bloco 9x9x9m ................................................................................................... 37
5 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 39
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 41
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1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais
Nas últimas décadas, a Engenharia Civil vem passando por uma
verdadeira revolução com o surgimento de novas tecnologias e materiais. Neste
sentido, os empreendimentos se tornam cada vez mais ousados, envolvendo
edifícios de vários pavimentos e de grandes dimensões. No entanto, o aumento
do porte dos empreendimentos resulta em vários desafios que devem ser
superados pelos engenheiros para a viabilização dos projetos como por
exemplo, a ação do vento sobre as edificações, que passa a ser bastante
significativa com o aumento do número de pavimentos.
No ponto de vista de fundações, o porte da edificação é de extrema
importância, pois os elementos de fundações receberem os carregamentos
oriundos da edificação e os transmitem para o solo, de forma a garantir a
estabilidade.
A Figura 1 ilustra um modelo de fundação profunda, em que o primeiro
elemento a receber o carregamento do pilar é o bloco de coroamento que deve
transmitir os mesmos para as estacas, que, por sua vez, transmitem para o solo.
Os blocos de coroamento são elementos robustos, que podem apresentar
grandes dimensões, e dependendo do porte da edificação, demandam um
elevado volume de concreto. Segundo Albuquerque (2009), elementos que
demanda uma grande massa de concreto podem sofre fissurações de origem
térmica, resultantes da variação volumétrica do concreto em função do calor
gerado pela hidratação do cimento sobre determinadas condições de restrição
de deformações. O autor ainda relata que a solução para o problema vem da
adoção de novos materiais e/ou de processos construtivos que impliquem na
redução do calor de hidratação.
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Figura 1- Exemplo de fundações profundas.
Fonte: Wang, 2013
Gambale (2017) destaca a importância de estudar esse fenômeno não só
em estruturas de grande porte, como barragens, mas também em estruturas
urbanas, como blocos de coroamento e em elementos estruturais de pontes. A
autora enfatiza que existem diversos métodos para avaliação da variação da
temperatura no interior de estruturas, como o Método das Diferenças Finitas
(MDF), o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o Método dos Elementos
Finitos (MEF).
Por fim, este trabalho consiste na análise numérica de blocos de
fundação, por meio do Método dos Elementos Finitos, permitindo analisar a
variação de temperatura no interior desses elementos. Neste sentido, será
realizado um estudo paramétrico com o intuito de avaliar a relação entre as
propriedades dimensionais dos blocos e o calor gerado, permitindo identificar
sobre quais situações o tratamento térmico deve ser adotado.
http://construcaociviltips.blogspot.com/
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1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo geral
Analisar a influência das características geométricas de blocos de fundações
no calor de hidratação do cimento.
1.2.2 Objetivos específicos
• Aprofundar o conhecimento sobre concreto massa e os efeitos térmicos
provocados pela hidratação;
• Realizar um estudo paramétrico em bloco de fundação;
• Identificar tolerâncias dimensionais nas quais os efeitos térmicos poder ser
desconsiderados em alguns casos durante a elaboração de projetos e
execução.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
Neste capítulo serão abordados os tópicos relativos a estudos das propriedades
e características do concreto, estudos térmicos do concreto massa, que para ser
bem-sucedido requer o conhecimento de suas propriedades analisando os
comportamentos térmicos nas várias fases, e o processo para cálculo das
temperaturas.
2.1 Propriedades do Concreto
É necessário conhecer as propriedades físicas e mecânicas do concreto antes
de analisar e entender dos efeitos térmicos do mesmo. Para o conhecimento dos
estados de tensões do material, deve ser feito primeiramente um estudo dos
processos de tração, compressão, deformação do concreto e do módulo de
elasticidade, visto que a hidratação do cimento e outros efeitos térmicos podem
influenciar no surgimento de patologias.
2.1.1 Durabilidade do Concreto
Para Neville (1997), o concreto é considerado durável quando consegue
suportar todas as funções de deterioração durante todo o período de vida util.
Fatores externos e fatores internos do concreto, como erosão, reações álcali-sílica,
temperaturas altas e diferenças de coeficientes de dilatação térmica da pasta de
cimento e o agregado fazem com que se tenha uma durabilidade comprometida.
2.1.2 Deformação do Concreto
A deformação linear específica que o concreto pode suportar até atingir as
fissuras, é representado pela capacidade de deformação. A variação de temperatura
faz com que o concreto se deforme podendo induzi-lo à fissuração (FURNAS, 1997).
2.1.4 Módulo de Elasticidade
Segundo Furnas (1997), o conhecimento do módulo de elasticidade é
importante para analisar as deformações elásticas das estruturas de concreto.
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Quando é aplicado uma carga de compressão num determinado ponto, é produzido
uma deformação proporcional à tensão aplicada dentro do limite elástico, sendo
assim, para um regime elástico, a relação entre o aumento de deformação e o
aumento de tensão é chamada de módulo de elasticidade.
2.2 Propriedades Térmicas do Concreto
Para entender o comportamento do concreto massa, precisa-se ter
conhecimento de suas propriedades térmicas, como a massa específica,
condutividade, calor específico, difusividade térmica e convecção. Segundo Neville
(1997), estas propriedades são muito importantes para o desenvolvimento das
deformações térmicas, variações de temperatura e fissuração nas primeiras idades
do concreto.
2.2.1Coeficiente de Dilatação Térmica
O coeficiente de dilatação térmica ocorre devido à variação de temperatura
em um comprimento unitário variando linearmente. A sua grandeza é diretamente
proporcional às variações de volumes consequentes de gradientes térmicos, ou seja,
mudança de temperaturas. Com a variação de temperatura e a possibilidade de
deformação, definem-se limites de gradientes térmicos cujo aumento excessivo pode
ocasionar como resultante a fissuração do concreto, portanto esta propriedade é um
dos critérios que definem as tensões de tração na etapa de resfriamento do concreto
massa tendo influência o teor de água e de finos, agregados e índice de vazios
(FURNAS, 1997).
De acordo com Furnas (1997), é possível determinar o coeficiente de
dilatação térmica por intermédio da NBR 12815 (2012), que consiste na realização
de ensaios em corpos de provas moldados ou extraídos utilizando o extensômetro
elétrico tipo Carlson, submetidos a ambientes com variações de temperaturas sendo
controladas com os períodos de deformações. O coeficiente de dilatação térmica é
definido usualmente como deformação específica por ºC e é definido pela seguinte
Equação 2.1:
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∝ = εq- εf
Tq-Tf
Equação 2.1
Onde:
∝ = Coeficiente de dilatação térmica linear (1 x 10−6 /˚C);
εq = Deformação linear específica na leitura de origem estabilizada (1 x 10−6);
εf = Deformação linear específica na leitura na sala de ensaio (1 x 10−6);
Tq = Temperatura interna do corpo-de-prova na origem (˚C);
Tf = Temperatura interna do corpo-de-prova na sala de ensaio (˚C).
O coeficiente de dilatação pode também ser determinado conforme a NBR
6118 (2014), que o define para efeitos de análises estruturais como sendo 10-6 /ºC.
De acordo com Mehta e Monteiro (1994), a contribuição do agregado é de grande
importância para estimativa desta propriedade térmica do concreto (70% a 80% da
mistura de concreto). De acordo com a Equação 2.2.
𝛼 = 𝑝 × 𝐸𝑞 × 𝑉𝑝 + 𝐸𝑎 × 𝑉𝑎
𝐸𝑞 × 𝑉𝑝 + 𝐸𝑎 × 𝑉𝑎
Equação 2.2
Onde: α = Coeficiente de dilatação térmica linear (1x 10-6/˚C);
p = Coeficiente de dilatação linear da pasta (1x 10-6/˚C);
a = Coeficiente de dilatação linear do agregado (1x 10-6/˚C);
Εp = Módulo de elasticidade da pasta (GPa);
Εa = Módulo de elasticidade do agregado (GPa);
Vp = Volume da pasta com ar incorporado (m³);
Va = Volume do agregado graúdo e miúdo (m³).
O agregado é a maior parcela no volume de concreto, influenciando na
composição do coeficiente de expansão térmica, portanto se deve optar pela
escolha de um agregado com menor coeficiente de dilatação para obtenção de
concretos mais estáveis. Os valores desses coeficientes variam de cerca de 5 ×10-6
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°C-1
para calcários e gabros a 11×10-6
°C-1
para arenitos, seixos naturais e
quartzitos. A diferença de valores é demonstrada na Figura 2.1, que ilustra a
influência do agregado após a constituição do concreto.
Figura 2.1 - Influência do tipo de agregado sobre o coeficiente de dilatação térmica do concreto.
Fonte: Mehta e Monteiro, 1994.
A idade do concreto não ocasiona variação no coeficiente térmico, intervindo
apenas na pasta de cimento a qual se modifica ao longo do tempo. Entretanto, a
diminuição do fator água/cimento decorre no aumento do coeficiente de dilatação
térmica da pasta, tal como o seu desenvolvimento ao decorrer dos tempos verificado
na Figura 2.2 (FURNAS, 1997).
Coeficiente de Expansão Térmica do Agregado (10-6 ºC-1)
Co
efic
ien
te d
e Ex
pan
são
Tér
mic
a d
o C
on
cret
o (
10
-6 ºC
-1)
-
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Figura 2.2 - Relação água/cimento X coeficiente de dilatação térmica da pasta Fonte: Furnas, 1997.
2.2.2 Calor Específico
Calor específico é uma grandeza física que demonstra a capacidade de um
material armazenar calor, correspondendo a quantidade de calor requerida para
elevar de 1ºC a temperatura de uma unidade massa de material. Valores
característicos do calor específico para concretos normais estão entre 0,84 e 1,26
kJ/(kg⋅K) (FARIA, 2004), demonstrado no Quadro 2.1.
Quadro 2.1 – Valores de calor específico para os tipos de concreto
Calor Específico (c) Valor Mín. (J.kg-1K
-1) Valor Máx. (J.kg
-1K
-1)
Concreto convencional 836,80 1056,00
Concreto Massa 750,00 1166,00 Fonte: Antonio, 2016.
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2.2.3 Condutividade Térmica
A condutividade térmica é capacidade de emitir calor, segundo Mehta e
Monteiro (1994), é a proporção de fluxo de calor emitido através de uma área de
valor unitário e o gradiente de temperatura.
O valor da condutividade térmica é obtido pela indução de calor em uma
abertura central de um corpo de prova cilíndrico com sua superfície externa exposta
a uma baixa temperatura, proporcionando um fluxo de calor através do concreto. Os
valores para concretos comuns saturados variam entre 1,4W/(m.K) ou 0,0033
cal/(cm.s.ºC) e 0,0086 cal/(cm.s.ºC) (FURNAS, 1997). Obtendo-se o calor especifico
e a difusividade térmica através de ensaios, determina-se analiticamente a
condutividade térmica pela seguinte Equação 2.3:
𝐾 = ℎ² × 𝑐 × 𝜌 Equação 2.3
Onde:
k = condutividade térmica (W/(m.k) ou J/(m.s.K));
h² = difusividade térmica (m²/s ou m²/dia);
c = calor específico (J/kg.K);
2.2.4 Difusividade Térmica
De acordo com Furnas (1997), difusividade térmica é a propriedade que
expressa à capacidade de difusão de calor em todas as direções, indicando a
facilidade com que o concreto pode sofrer variações de temperatura. A difusividade
térmica é expressa analiticamente por Mehta e Monteiro (1994) pela Equação 2.4,
cujas variantes dependem do calor específico, densidade e condutividade,
encontrados por meio de ensaios. Quanto maior for a difusividade térmica do
concreto maior a capacidade de o calor mover-se pelo mesmo. Para um concreto de
peso normal com calor e massa especifica de pouca variação a condutividade é
quem controla a difusividade.
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ℎ² = 𝑘
𝑐× 𝜌 Equação 2.4
Onde:
h² = difusividade térmica (m²/s, m²/h ou m²/dia);
k = condutividade térmica (W/(m.k) ou J/(m.s.K));
c = calor específico (J/kg.K);
ρ= massa específica (Kg/m³).
Furnas (1997) destaca os fatores dominantes à difusividade térmica em
resumo nas seguintes variações:
• Varia com o tipo litológico do agregado;
• Aumenta com a dimensão máxima característica do agregado graúdo;
• Varia com a procedência dos agregados de mesmo tipo litológico;
• Aumenta com a redução da relação água/cimento;
• Aumenta com o aumento de volume do agregado;
• Diminui com o emprego de material isolante.
O Quadro 2.2 abaixo demonstra os valores de difusividade térmica que
podem ser utilizados no concreto.
Quadro 2.2 – Valores de difusividade térmica para os tipos de concreto
Difusividade Térmica Valor Mín. (m²h-1) Valor Máx. (m²h-1)
Concreto convencional 0,0025 0,006
Concreto Massa 0,003 0,006 Fonte: Antonio, 2016.
2.2.5 Massa Específica
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É a relação entre o volume em que um corpo ocupa e a massa do mesmo, ou
seja, o grau de concentração da massa em determinado volume é medido pela
densidade. Segundo Braga (2004), os valores de literatura que podem ser adotados
para estudos em caso de não existirem valores de ensaios é demonstrado na
Quadro 2.3 abaixo:
Quadro 2.3 – Valores de difusividade térmica para os tipos de concreto
Massa Específica (ρ) Valor Mín. (kg m-3) Valor Máx. (kg m-3)
Concreto convencional 2000 2400
Rocha basáltica 2710 2710 Fonte: Antonio, 2016.
2.3 Tensões Térmicas
As variações de temperatura pouco influenciam em peças estruturais esbeltas
de concreto, ao contrário das estruturas de grande porte que são afetadas com
maior intensidade por essas mudanças devido a ação do calor de hidratação.
As tensões térmicas de tração são geradas devido a um aumento de
temperatura que as reações de hidratação do cimento induzem nos primeiros dias,
resultando na fissuração e possivelmente na perda de característica da estrutura.
2.3.1 Grau de Restrição
O grau de restrição decresce à medida que se torna flexível, podendo assim
adotar restrição total (k=1) para fundações rígidas.
Considera-se a restrição k=0 quando a estrutura se movimentar livremente. A
Figura 2.3 demonstra a relação entre o grau de restrição e a altura proporcional
acima da base correspondente (BITTENCOURT; GRAÇA; SANTOS, 2011).
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Figura 2.3 – Grau de restrição à tração na seção central Fonte: Bittencourt; Graça; Santos, 2011.
Pode ocorrer fissurações quando as restrições ultrapassarem a capacidade
do elemento, devido ao surgimento de esforços no interior da peça estrutural.
Contudo para determinar as tensões de origem térmica operantes e as deformações,
tem que ser feito a avaliação do grau de restrição existente na estrutura.
2.3.2 Elevação Adiabática de Temperatura
A elevação adiabática de temperatura está diretamente ligada à quantidade
de calor gerada pelo concreto, sendo de suma importância no cálculo das
temperaturas de uma estrutura. Quando o concreto atinge uma certa idade e a
geração de calor tenha se estabilizado ou está próximo dessa situação, deve-se
realizar o estudo da curva de elevação adiabática (FURNAS, 1997).
Segundo Furnas (1997), quando não é possível obter resultados dos ensaios
de laboratório, é essencial que se faça uma estimativa da elevação adiabática do
concreto.
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No primeiro método, são calculadas as elevações adiabáticas de acordo com
a Equação 2.5.
𝑒𝑖 = 𝑒𝑖𝑢 . 𝑐𝑒𝑞 Equação 2.5
Onde:
𝑒𝑖 = elevação adiabática de temperatura na idade i;
𝑒𝑖𝑢 = elevação unitária de temperatura na idade i, obtida para dosagem ensaiada;
𝑐𝑒𝑞 = consumo equivalente de cimento.
No segundo método, as elevações adiabáticas são calculadas através da
relação de Rastrup, demonstrado na Equação 2.6.
𝑒𝑖1 =𝑐𝑒𝑞1
𝑐𝑒𝑞2.
𝑐2
𝑐1.
𝛾2
𝛾1. 𝑒𝑖2 Equação 2.6
Onde:
ei1 = elevação adiabática de temperatura na idade i;
𝑐𝑒𝑞 = consumo equivalente de cimento.
𝑐 = calor específico
𝛾 = massa especifica
O índice 1 trata-se do concreto cuja elevação adiabática está sendo estimada
e o índice 2 do concreto que já foi realizado o ensaio.
No terceiro método, a partir do calor de hidratação (CI) dos aglomerantes
utilizados, estima-se a elevação adiabática de temperatura, levando em
consideração a densidade do concreto, o calor específico e o consumo deles na
dosagem. Conforme Equação 2.7.
𝑒𝑖 =𝐶𝐼𝑖.𝑐𝑒𝑞
𝑐.𝛾 Equação 2.7
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O engenheiro deve ter bastante cuidado e atenção quando for escolher um
dos métodos citados para estimar a elevação adiabática de temperatura do
concreto.
2.4 Concreto Massa
Grandes estruturas de concreto massa tais como barragens e blocos de
fundações estão sujeitas a fissurações devido a problemas por calor de hidratação.
É necessário, para o controle de fissuração, um estudo mais aprofundado para se
obter conhecimentos de suas propriedades. As consequências dessa fissuração
dependem do tipo de obra e de suas causas, fazendo com que as obras percam a
finalidade a qual foram destinadas, elevando o custo da obra, pois o grau de
execução de reparo de fissuras é alto (FURNAS, 1997).
Segundo Furnas (1997), os estudos do comportamento térmico levam a
diversos fatores que influenciam na temperatura do concreto, podendo atingir a
estrutura, dentre eles, a altura das camadas de concretagem, o intervalo de
lançamento do concreto, consumo e tipo de aglomerantes, temperatura de
lançamento do concreto e as condições climáticas no local da construção no
momento da concretagem. É praticamente impossível determinar as evoluções
exatas de temperaturas em uma estrutura de concreto massa, devido,
principalmente, à complexidade e oscilação dos fatores que estão envolvidos nos
cálculos, tais como as propriedades térmicas do concreto, que variam com a
temperatura e condições climáticas que são variáveis ao decorrer dos dias e anos,
sendo impossível a previsão exata; podendo variar com a idade. No entanto, as
evoluções de temperaturas podem ser estimadas com relativa precisão, dentro das
finalidades práticas dos estudos térmicos.
No interior de uma estrutura, os cálculos das temperaturas do concreto são
realizados a partir de simulação de sua execução, sendo efetuado do início do
lançamento do concreto, camada por camada, até o resfriamento das temperaturas
em cada ponto da estrutura. O cálculo térmico mostra o comportamento da estrutura
com a variação de temperatura, sendo ele realizado em várias hipóteses como a
variação de lançamento do concreto (altura das camadas, intervalos de lançamentos
e temperaturas do concreto fresco), as condições do ambiente e outros fatores como
o processo de cura e tempo de permanência de fôrmas.
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2.4.1 Fissuras de Origem Térmica
As reações de hidratação do cimento começam imediatamente após o contato
da água com o cimento, essas reações são exotérmicas, liberam calor enquanto
estão no processo de cura. O calor liberado por essas reações eleva a temperatura
do concreto, que nos primeiros 7 dias está bastante acentuada em geral, se
tornando mais lenta e menos intensa. A elevação de temperatura depende de vários
fatores como o consumo, tipo e finura do cimento, do tipo litológico do agregado, do
volume do concreto aplicado, da velocidade das reações. Com a elevação da
temperatura, o concreto se expande, sendo que nas primeiras idades, o concreto
encontra-se em estado plástico, não havendo praticamente limitações a esta
expansão (FURNAS,1997).
Furnas (1997) ressalta que, com o resfriamento, inicia-se o fenômeno de
retração térmica: o concreto começa a se contrair, causando uma redução das
tensões de compressão. Com a redução das tensões de compressão, o resfriamento
continua; tensões de tração serão geradas devido a contração do concreto. Por ser
um material muito resistente às tensões de compressão e não a tração, o concreto
não está livre de possíveis aparecimentos de fissuras quando a ele são impostas
tensões de tração.
2.4.2 Altura das Camadas
A altura das camadas é um dos fatores que mais contribuem para o controle
térmico do concreto, tendo influência intensa na temperatura em que o concreto vai
atingir. Em blocos de grandes dimensões e com grandes alturas de camadas, a
temperatura pode atingir valores aproximados ao da elevação adiabática, ou até
mesmo superiores, se o concreto estiver refrigerado com grande diferença de
temperatura referente ao contorno.
Furnas (1997) estudou 4 hipóteses de lançamento do concreto mostrando a
influência da altura das camadas, conforme descrito no Quadro 2.4 abaixo:
-
22
Quadro 2.4 – Hipótese de Lançamento – Influência das Camadas
Hipótese de lançamento Condições impostas
Hipótese (nº)
Número de camadas
Altura de camadas
(cm)
Agregado graúdo
Temperatura do concreto fresco (°C)
Intervalo de
lançamento (dia)
1 6 1
Granito 25 3 2 4 1,5
3 3 2
4 1 6
Fonte:(FURNAS,1997).
Após a análise de cada hipótese, Furnas (1997) concluiu que quanto menor a
altura da camada, menor a influência na temperatura.
2.4.3 Intervalo de lançamento
O intervalo de lançamento em dias do concreto, influência no controle de
temperatura da estrutura. Furnas (1997) estudou 3 hipóteses de lançamento
(Quadro-2.5), ilustrando a influência do intervalo de lançamento das camadas,
resultando em seus estudos que, quanto maior o intervalo de tempo em dias, maior
o controle da temperatura na peça. Esse intervalo de lançamento pode ser
adequado no cronograma da obra, conforme Quadro 2.5.
Quadro 2.5 – Hipótese de Lançamento – Influência do Intervalo de lançamento
Hipótese de lançamento Condições impostas
Hipótese (nº)
Intervalo de Lançamento
(dia)
Agregado graúdo
Temperatura do concreto fresco (°C)
Número de
camadas
Altura da
camada (m)
3 3
Granito 25 3 2 5 7
6 10
Fonte:(FURNAS,1997)
-
23
2.4.4 Consumo de Cimento
Segundo Furnas (1997), o consumo de cimento é um dos fatores que exerce
maior influência no aumento de temperatura que o concreto pode atingir, uma vez
que o calor é gerado devido as reações de hidratação do cimento. A temperatura de
hidratação é influenciada pela relação água/cimento, consistência, utilização de
aditivo incorporador de ar e dimensão máxima característica do agregado graúdo.
Quanto maior for o consumo de cimento, maior será a elevação de temperatura
adiabática, aumentando os riscos de fissuras de origem térmica. Portanto, é de
grande importância e necessidade que o engenheiro projetista de estrutura de
concreto massa considere este aspecto quando for definir a idade de controle da
estrutura e a resistência do concreto, pois nem sempre o concreto que tem maior
resistência é o melhor.
Em estruturas de concreto massa, dois fatores devem ser compatíveis com os
esforços solicitantes e com os critérios de durabilidade, sendo eles a resistência
mecânica que deve ser a menor possível e a idade de controle; a maior possível.
Sendo assim, o engenheiro responsável pelo local das dosagens deve definir os
menores consumos de cimento possíveis, concordando com as especificações do
projeto (FURNAS,1997).
2.4.5 Uso do Gelo no Concreto
Segundo Chiristofolli, em obras de grande porte como barragens, hidrelétricas
ou em blocos de fundação que possuem maior volume de concreto, é necessário o
uso de gelo para redução de temperatura inicial de lançamento, reduzindo as
tensões de origem térmicas internas do bloco, evitando a elevação de temperatura
e o surgimento de trincas ou rachaduras que comprometa a integridade estrutural da
peça. (RIBEIRO,2008).
Uma das alternativas que podem ser utilizadas para controle de temperatura é
a introdução de parte da água do emassamento no concreto em forma de gelo em
cubos, lascas ou água gelada. É importante destacar que antes do lançamento do
concreto, o gelo esteja totalmente introduzido a mistura, sendo usado 50% de gelo
em substituição da água de emassamento do concreto, sendo necessário ser feito
-
24
um monitoramento da temperatura de lançamento, devendo estar por volta de 20°C,
tornando a alternativa de pré resfriamento efetiva.(PINI,2013).
2.5 Métodos dos Elementos Finitos
Segundo Azevedo (2003), o objetivo do método dos elementos finitos é a
determinação da deformação de um sólido de geometria arbitrária através de ações
exteriores e do estado de tensão. Esse tipo de cálculo é realizado para estudos de
barragens, edifícios, pontes e outras estruturas, alcançando satisfação no pré-
requisito funcional, regulamentares e em termos econômicos.
Para realização deste método, é necessário que a estrutura seja dividida na
forma de uma ou mais malhas de elementos finitos, de acordo com as alturas de
camadas de concretagem a serem analisadas. As malhas devem conceder a
diferença de materiais incluídos nas trocas de calor (dosagens empregadas em cada
estrutura e rocha de fundações), tendo também que descrever a geometria da
estrutura analisada (FURNAS, 1997).
Cada hipótese a ser analisada, através do coeficiente de transmissão
superficial e da estabilidade de temperaturas, de acordo com Furnas (1997), tem
que estabelecer as condições de transmissão de calor ao redor da fundação e da
estrutura. Tendo em vista os vários tipos e tempos de cura e de remoção de fôrmas,
o coeficiente deve considerar, com maior atenção, as situações de trocas de calor
entre o concreto e o meio ambiente.
O método dos elementos finitos a partir observação do equilíbrio térmico em
cada nó da malha, calcula as temperaturas da estrutura, pelo sistema de equações
diferenciais de primeira ordem, conforme Equação 2.8.
CT(t) + KT(t) = Q(t) Equação 2.8
Onde:
C = matriz de capacidade de calor;
K = matriz de condutividade térmica
T(t) = vetor de taxa de variação das temperaturas nos nós ao longo do tempo;
-
25
Q(t) = vetor de taxa de calor suprida aos nós, inclusive o calor gerado nos
elementos adjacentes a cada nó.
2.5.1 Análise do Comportamento Térmico do Concreto
Segundo Neville (1997), para realização de deformações atuantes na
estrutura, é necessário estudar algumas propriedades do concreto. Para realizar os
cálculos de temperatura, devem-se fazer todos os ensaios de laboratório; algumas
dessas propriedades estão demonstradas abaixo:
- Coeficiente de dilatação térmica
- Módulo de elasticidade
- Resistência à tração
- Capacidade de deformação
A partir dos resultados dos cálculos de temperaturas realizados para cada
condição de lançamento, realiza-se a análise de tensões e deformações. Em cada
hipótese, deve-se determinar as tensões e deformações resultantes da variação de
temperatura exercida na estrutura; existe o fator de segurança mínima estabelecido
nos cálculos que a estrutura tem que ser revestida (NEVILLE, 1997).
-
26
3 METODOLOGIA
Neste capítulo, será abordada toda a metodologia utilizada para realizar a
presente pesquisa, sendo determinadas as estratégias para se conseguir os
objetivos propostos, assegurando a concordância entre as diversas etapas da
pesquisa.
3.1 Pesquisa Bibliográfica
Inicialmente, para conhecimento prévio do assunto que foi desenvolvido neste
trabalho, foi realizada uma pesquisa bibliográfica sobre a influência da temperatura
em blocos de coroamento, levando em destaque alguns pontos específicos, como:
propriedades térmicas do concreto, tensões térmicas, concreto massa, fissuras de
origem térmicas.
3.2 Método utilizado
O programa utilizado para análise da variação de temperatura nos diferentes
tamanhos de blocos foi o ANSYS®, que é um software no qual se pode fazer análise
térmica por meio de elementos finitos. Esta etapa pode ser dividida em três partes,
sendo a primeira a modelagem do bloco e a definição do elemento, a segunda a
inserção das propriedades e temperaturas para análise nos pontos específicos do
bloco, e por último foram demonstrados os resultados obtidos.
3.3 Definição da amostra
Foram modelados numericamente cinco blocos de concreto cúbicos com
dimensões de (1x1x1m; 2x2x2m; 3x3x3m; 6x6x6m e 9x9x9m), analisando o efeito
do gradiente de temperatura ao longo da sua espessura, porém, com as mesmas
propriedades térmicas.
3.4 Propriedades Térmicas do Concreto
As propriedades térmicas do concreto foram definidas através de uma
validação do modelo numérico com o experimental de uma pesquisa publicada no
Anais do 50º Congresso Brasileiro do Concreto CBC 2008 (GAMBALE;
BITTENCOURT, 2008).
-
27
Foi realizada a modelagem, com os dados das propriedades térmicas do
concreto descrito no artigo, conforme Quadro 3.1, e com as mesmas dimensões
demonstradas nas Figuras 3.1 e 3.2, sendo obtido com êxito o mesmo resultado,
onde a temperatura máxima atingida no artigo foi a mesma encontrada no software,
no valor de 65,05 ºC em 48 horas, conforme Quadro 3.2. Sendo assim, foram
adotados os mesmos valores das propriedades térmicas para simulação dos blocos
em estudo.
Quadro 3.1 – Propriedades térmicas do concreto utilizado na simulação.
Propriedades Parâmetros Térmicos Calor Específico (kcal/kgºC) 0,20
Condutividade Térmica (kcal/m.d ºC) 46,20
Massa Específica (kg/m³) 2398
Coeficiente de Convecção (W/m² ºC) 10
Calor Interno (W/m³) 342,6
Fonte: Gambale; Bittencourt, 2008.
Figura 3.1 – Dimensões da estrutura Figura 3.2 – Estrutura usada na simulação. usada para simulação. Fonte: Autor, 2019. Fonte: Gambale; Bittencourt, 2008.
Quadro 3.2 – Temperatura Máxima obtida no modelo Analisado e na simulação.
Descrição Temperatura Máxima (ºC) Tempo (horas)
Estrutura do modelo Analisado 65,05 48
Estrutura simulada 65,05 48
Fonte: Autor, 2019.
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28
3.5 Modelagem da amostra
Para a modelagem dos blocos, foram inseridas as dimensões, as
propriedades do concreto e a malha que foi subdividida dependendo de cada
dimensão do bloco, conforme Quadro 3.2.
Quadro 3.3 – Espaçamento da Malha para cada bloco.
Dimensão do Bloco (m) Espaçamento da Malha (m)
1x1x1 0,1
2x2x2 0,2
3x3x3 0,3
6x6x6 0,6
9x9x9 0,9
Fonte: Autor, 2019.
Para análise dos blocos, foi admitido temperatura ambiente de 30 ºC; a
mesma utilizada como temperatura de lançamento do concreto, e o tempo analisado
de 2, 7, 14 e 28 dias de concretagem.
Após inserido todos os dados, pode-se obter os resultados das temperaturas
em função do tempo e assim analisar em que tempo o bloco atinge o pico de
temperatura e o valor do mesmo, para que se possa tomar os cuidados necessários
para não ocorrer a fissuração.
-
29
4 RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados encontrados da variação de temperatura no intervalo de tempo
dos blocos em análise são representados a seguir, onde podemos observar a
evolução da temperatura desde as primeiras horas de cura até a sua estabilização
com a temperatura ambiente, através do corte central do interior do bloco e a visão
da temperatura na parte externa do mesmo.
4.1 Bloco 1x1x1m
As Figuras 4.1 a 4.3 mostram a temperatura máxima em que o concreto atingiu
nos dias 2, 7, e 14.
Figura 4.1 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 2 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.2 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 7 dia. Fonte: Autor, 2019.
-
30
Figura 4.3 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 14 dia. Fonte: Autor, 2019.
A evolução da temperatura atingindo o pico máximo e retrocedendo para a
temperatura ambiente é demonstrado no Gráfico 4.1.
Gráfico 4.1 – Evolução da Temperatura em dias. Fonte: Autor, 2019.
Observa-se que o bloco 1x1x1m atingiu a temperatura adiabática no segundo
dia, com 30,696 °C, e em seguida começou a retroceder chegando no sétimo dia
com 30,003, praticamente a temperatura ambiente. Esse processo ocorre porque um
dos principais componentes do concreto que é o clínquer libera muito calor de
hidratação quando está em contato com a água, ou seja, gera uma reação
exotérmica, então durante os primeiros dias da cura do concreto é onde o bloco
atinge suas maiores temperaturas, nesse processo o bloco se expande, depois de
ter liberado todo o calor e começa aos poucos voltar a temperatura ambiente, se
retraindo, conforme demonstrados nas Figuras 4.1 a 4.3 acima.
-
31
Segundo Kuperman, durante o período de cura, se o concreto ultrapassar
temperaturas superiores a 65°C, pode se tornar propenso a desenvolver etringita
tardia. Depois que o concreto endurece, a etringita fica latente podendo se
manifestar a qualquer momento (SANTOS, 2018).
Como a elevação de temperatura do bloco foi pouca em relação a
temperatura ambiente, a chance de ocorrer fissura é muito pequena, não sendo
necessário utilizar nenhum método para diminuir o calor no interior do bloco.
4.2 Bloco 2x2x2m
As Figuras 4.4 a 4.6 mostram a temperatura máxima em que o concreto atingiu
nos dias 2, 7 e 28.
Figura 4.4 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 2 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.5 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 7 dia. Fonte: Autor, 2019.
-
32
Figura 4.6 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 28 dia. Fonte: Autor, 2019.
A evolução da temperatura atingindo o pico máximo e retrocedendo para a
temperatura ambiente é demonstrada no Gráfico 4.2.
Gráfico 4.2 – Evolução da Temperatura em dias. Fonte: Autor, 2019.
A elevação da temperatura do bloco foi pouca em relação a temperatura
ambiente, não ultrapassou o limite de 65 °C; a chance de ocorrer fissura é muito
pequena, não sendo necessário utilizar nenhum método para diminuir o calor no
interior do bloco.
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33
4.3 Bloco 3x3x3m
As Figuras 4.7 a 4.9 mostram a temperatura máxima em que o concreto atingiu
nos dias 2, 7 e 28.
Figura 4.7 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 2 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.8 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 7 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.9 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 28 dia. Fonte: Autor, 2019.
-
34
A evolução da temperatura atingindo o pico máximo e retrocedendo para a
temperatura ambiente é demonstrada no Gráfico 4.3.
Gráfico 4.3 – Evolução da Temperatura em dias. Fonte: Autor, 2019.
Nota-se que o bloco 3x3x3m atingiu a temperatura adiabática no segundo dia,
com 43,052 °C, e em seguida começou a retroceder chegando no 28 dia com
praticamente a mesma temperatura do ambiente, ou seja, o bloco resfriou por
completo.
A elevação adiabática do bloco durante a cura foi menor que 65 °C, sendo o
risco muito baixo de ocorrer patologias como fissuras e trincas, não sendo
necessário intervir com algum método de diminuição de calor no interior do bloco.
Nota-se que o bloco 1x1x1m, 2x2x2m e 3x3x3m atingiram a temperatura
adiabática no segundo dia, e em seguida começaram a retroceder chegando no
último dia de análise com a mesma temperatura do ambiente, ou seja os blocos
resfriaram por completo.
-
35
4.4 Bloco 6x6x6m
As Figuras 4.10 a 4.12 mostram a temperatura máxima em que o concreto
atingiu nos dias 2, 14 e 28.
Figura 4.10 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 2 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.11 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 14 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.12 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 28 dia. Fonte: Autor, 2019.
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36
A evolução da temperatura atingindo o pico máximo e retrocedendo para
próximo da temperatura ambiente é demonstrado no Gráfico 4.4.
Gráfico 4.4 – Evolução da Temperatura em segundos. Fonte: Autor, 2019.
Observa-se que o bloco 6x6x6m atingiu a temperatura adiabática no segundo
dia, com 83,103 °C, e aos poucos foi retrocedendo, chegando no último dia de cura
com uma temperatura muito elevada de 47,235 ºC, ou seja, o interior do bloco ainda
está muito quente.
Como a elevação do bloco foi grande em relação a temperatura ambiente,
ultrapassando o limite de 65 °C, a chance de ocorrer manifestações patológicas,
como fissuras e trincas é muito grande, sendo necessário utilização de métodos
para diminuir o calor no interior do bloco.
Como demonstrado no referencial teórico, existem alguns métodos que
podem ser utilizados em peças de concreto massa, como no caso o bloco de
coroamento, para se evitar patologias. Uma das alternativas preventivas que
podemos utilizar nesse caso é o uso do gelo no traço do concreto, sendo substituído
50% da água por gelo em forma de cubos ou lascas, reduzindo assim a temperatura
nas primeiras horas de cura do concreto.
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37
4.5 Bloco 9x9x9m
As Figuras 4.13 a 4.15 mostram a temperatura máxima em que o concreto
atingiu nos dias 2, 14 e 28.
Figura 4.13 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 2 dia. Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.14 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 14 dia.
Fonte: Autor, 2019.
Figura 4.15 – Temperaturas máximas do Bloco atingida no 28 dia. Fonte: Autor, 2019.
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38
A evolução da temperatura atingindo o pico máximo e retrocedendo para
próximo da temperatura ambiente é demonstrado no Gráfico 4.5.
Gráfico 4.5 – Evolução da Temperatura em dias em segundos. Fonte: Autor, 2019.
Por fim, o bloco 9x9x9m atingiu a temperatura adiabática no segundo dia,
com 149,49 °C, e aos poucos foi retrocedendo, chegando no último dia de cura com
uma temperatura muito elevada de 123,14 ºC, ou seja, o interior do bloco ainda está
muito quente.
Como a elevação do bloco foi muito em relação a temperatura ambiente,
ultrapassando o limite de 65 °C, a chance de ocorrer manifestações patológicas,
como fissuras e trincas é muito grande, sendo necessária a utilização de métodos
para diminuir o calor no interior do bloco.
As alternativas preventivas que podemos utilizar nesse caso é o uso do gelo,
utilizando os mesmos procedimentos citados no bloco 6x6x6m. Porém como a
elevação de temperatura desse bloco foi muito alta, devesse utilizar outros métodos
em conjunto com o uso do gelo. Uma opção é a concretagem em camadas, levando
em consideração a sua altura, a qual tem influência intensa na temperatura que o
concreto pode atingir, portanto quanto menor a altura, menor será a temperatura. É
importante levar em consideração o intervalo de lançamento de cada camada,
controlando assim a temperatura da peça.
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39
5 CONCLUSÕES
Partindo do objetivo de analisar a variação de temperatura em diferentes
dimensões de blocos de concreto, buscou-se primeiramente fazer um estudo
bibliográfico sobre o tema estudado, conhecendo as propriedades do concreto e
como se comporta as estruturas de concreto massa, que por sua vez tem um
comportamento diferente do concreto convencional, devido a sua característica de
grande volume e grande dimensão.
O estudo do concreto massa é fundamental ser feito antes da execução,
prevenindo riscos. É importante ter o conhecimento detalhado da obra a ser
construída para que problemas futuros possam ser evitados, como exemplo, pode-
se citar a temperatura no interior do concreto, que apresentando valores acima do
necessário, provocam manifestações patológicas indesejáveis.
No decorrer da pesquisa, foram escolhidos 5 modelos de blocos com
dimensões diferentes, para analisar a temperatura dos mesmos no período de cura
de 28 dias, tendo como escolha o software ANSYS® para se fazer a análise. O
ANSYS® é um programa baseado no método dos elementos finitos, que possui um
modulo de análise térmica, onde são mostrados os efeitos térmicos indicando a
evolução do calor no decorrer do tempo. Para se fazer a análise, foi preciso
determinar as propriedades do concreto a serem usadas, tais como: calor específico,
condutividade térmica e massa especifica, mudando apenas a dimensão de cada
bloco; onde essas propriedades foram definidas através de uma calibração entre o
modelo do artigo citado na metodologia e o experimental.
Foi feita a simulação no ANSYS® dos cinco blocos estudados, sendo
inseridas as propriedades do concreto como massa específica, calor específico,
condutividade térmica, coeficiente de convecção, o tempo de análise e a geração de
calor no interior do bloco. Após o programa gerar os resultados, pode-se notar que
os blocos 1x1x1m, 2x2x2m e 3x3x3m tiveram sua maior temperatura no segundo
dia, porém o aumento de temperatura foi pouco em relação a temperatura do meio
ambiente, mostrando que a liberação de calor no período de hidratação do concreto
não foi tão elevada, não sendo necessário utilizar nenhum método para reduzir a
temperatura.
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40
Os blocos 6x6x6m e 9x9x9m apresentaram temperaturas acima da
temperatura aceitável por Kupermam, (SANTOS, 2018), no período de cura, por ter
dimensões maiores que os blocos citados anteriormente, tendo sido necessário mais
cimento misturado com água durante a fabricação do concreto, gerando uma reação
exotérmica, ou seja, grande liberação de calor. A solução recomendada foi utilizar o
método da substituição de 50% da água por gelo em forma de cubos e lascas e a
concretagem em camadas e com um espaço de tempo entre uma camada e outra.
Nota-se que quanto maior a dimensão do bloco, maior será a temperatura
interna do concreto, por utilizar maior quantidade de cimento e água durante a
fabricação do concreto, liberando muito calor de hidratação durante a cura do
concreto, e sendo mais difícil de o calor se dissipar do interior do bloco para o meio
externo, devido à distância até chegar ao centro.
Por fim, pode-se concluir que é importante fazer a análise antes da execução
dos blocos, utilizando software ANSYS® que gera os resultados satisfatórios em
pouco tempo, para evitar manifestações patológicas no concreto, adotando soluções
adequadas, evitando retrabalho e aumento de custo na obra.
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41
REFERÊNCIAS
ABNT-Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, 2014.
ABNT-Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12815: Concreto endurecido - Determinação do coeficiente de dilatação térmica linear - Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2012.
ALBUQUERQUE, A. C. Estudo das Propriedades de Concreto Massa com Adição de Partículas de Borracha de Pneu. 2009. 253f Tese (Doutorado em Engenharia) — Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegrei.2009
ANTONIO, L.S.A. MODELAGEM TERMICA DE BARRAGEM DE CONTRAFORTE VIA ANSYS: CASO DE ESTUDO BLOCO E6 DA USINA HIDRELETRICA DE ITAIPU – UHI. 2016. 74f.Trabalho de Conclusão de Curso, UNIVERSIDADE FEDERAL DA INTEGRAÇÃO LATINO-AMERICANA, FOZ DE IGUAÇU. 2016.
AZEVEDO, Álvaro. MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS. Portugal: Faculdade de Engenharia da Universidade de Porto, 2003.
BITTENCOURT, R. M.; GRAÇA, N. G.; SANTOS, S. B. Concreto: ciência e tecnologia. São Paulo: Instituto Brasileiro do Concreto, 2011. p. 705-730
BRAGA, W. F. Transmissão de calor. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004
FARIA, E. F.; Predição da exotérmica da reação de hidratação do concreto através de modelo termoquímico e modelo de dado.2004. 145 f. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio De Janeiro – COOPE/UFRJ. Rio de Janeiro: 2004
FURNAS. Concreto: massa, estrutural, projetado e compactado com rolo: ensaios e propriedades. 1. ed.São Paulo: Editora Pini, 1997. 852 p.
GAMBALE, P. G. ESTUDO DO CALOR DE HIDRATAÇÃO DO CONCRETO MASSA E CONTRIBUIÇÃO AO CÁLCULO TÉRMICO E À PREVISÃO DE FISSURAS DE RETRAÇÃO.2017. 116f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) — Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS, GOIÂNIA.2017
GAMBALE, E.A.; BITTENCOURT, R.M. Análise do Fenômeno Térmico em Concreto com cimento Porthand Branco. In: ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2008 – 50CBC0048, 2008. São Paulo, 2008.
LI, Y.; NIE, L.; WANG, B. A numerical simulation of the temperature cracking propagation process when pouring mass concrete. Automation in Construction, China, v.37, p. 203-210, 2014.
MEHTA, P. K., MONTEIRO, P. J. M., Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais. 1ª Edição São Paulo: Editora Pini LTDA, 1994.
-
42
NEVILLE, A. D. M.; Propriedades do Concreto. 2 ed. São Paulo: Editora Pini, 1997. 828 p.
PINI, Execução de grandes blocos de fundação exige cuidados no traço do concreto e planejamento logístico rigoroso. Disponível em: . 200ª Ed., 2013. 2 p
RIBEIRO, R. Concreto resfriado. 2008.Disponivel em: https://www.cimentoitambe.com.br/concreto-resfriado/›.Acesso: 09 de Maio de 2019.
SANTOS, A. Controlar temperatura do concreto evita etringita tardia. 2018. Disponivel em ‹https://www.cimentoitambe.com.br/controlar-temperatura-do-concreto-evita-etringita-tardia/›. Acesso: 08 de Maio de 2019.
Wang, H.Y.; Chen, B.T.; Wu, Y.W. A study of the fresh properties of controlled lowstrength rubber lightweight aggregate concrete (CLSRLC). Construction and Building Materials, p.226-231, 2013.
https://www.cimentoitambe.com.br/https://www.cimentoitambe.com.br/controlar-temperatura-do-concreto-evita-etringita-tardia/https://www.cimentoitambe.com.br/controlar-temperatura-do-concreto-evita-etringita-tardia/