Sistemas Administrativos
Escola de Engenharia de São Carlos
SET Análise do comportamento à flexão de vigas de aço...
Documento Doutorado
Área Mecânica das Estruturas
Data da defesa 22/06/2022
Autor SIMÕES, Yagho de Souza
Orientador MUNAIAR NETO, Jorge
Português
Título Análise do comportamento à flexão de vigas de aço parcialmente revestidas com concreto produzido a partir do uso de agregados reciclados em situação de incêndio
Resumo
Estruturas de aço não apresentam bom comportamento em situação de incêndio quando não protegidos devido à elevada condutividade térmica do material e à esbeltez de seus componentes, promovendo, dessa maneira, um rápido aquecimento do elemento estrutural e uma acelerada degradação de suas propriedades mecânicas. Uma das formas de melhorar a resistência ao fogo de elementos metálicos consiste em revesti-los com concreto, o qual funciona como um material isolante térmico protegendo os perfis de aço contra a ação do fogo. Tendo em vista o apelo ambiental, buscou-se estudar a influência do tipo concreto produzido com agregado reciclado no comportamento à flexão de vigas mistas parcialmente revestidas em situação de incêndio. Inicialmente, os agregados reciclados foram caracterizados e, em seguida, aplicou-se a técnica de empacotamento de partículas, Modelo de Alfred, para produção dos concretos. Os resultados indicaram que esses agregados são mais porosos, absorvem mais água e apresentam menor massa específica quando comparados com os agregados naturais. Diante disso, foram produzidas sete misturas de concreto: uma de referência (uso apenas de agregados naturais) com o emprego da dosagem tradicional, e outras seis, utilizando diferentes agregados reciclados a partir do empacotamento de partículas. Essa metodologia promoveu uma redução do consumo de cimento da mistura de referência e possibilitou a substituição integral da fração de agregados naturais por reciclados, gerando concretos com resistência à compressão superior a 20 MPa, ou seja, adequados para serem utilizados em estruturas. Posteriormente analisou-se o comportamento dessas sete misturas enquanto barreira térmica de perfis de aço. Notou-se que os concretos com agregados reciclados apresentaram grande potencial de isolamento térmico, tendo em vista que os elementos de aço revestidos com esse material, com exceção daqueles que sofreram spalling, tiveram temperaturas próximas ou inferiores quando comparados ao elemento revestido com concreto convencional. Com base nesses experimentos, modelos numéricos térmicos foram propostos usando o código computacional ABAQUS, cujos resultados foram consistentes quando adotadas propriedades térmicas adequadas. No que se refere aos elementos estruturais, quatro vigas de aço foram revestidas com diferentes concretos (um convencional e os demais com agregados reciclados). Elas foram sujeitas a ensaios de flexão em temperatura ambiente, em situação de incêndio (tempo de aquecimento igual a 35 min) e pós-fogo. Em termos de capacidade resistente, notou-se que o tipo de concreto não impactou de forma significativa a resistência mecânica do elemento estrutural em temperatura ambiente. No que diz respeito aos ensaios em incêndio, a viga constituída por 100% de brita reciclada apresentou as temperaturas mais elevadas e os maiores deslocamentos no meio do vão ao final do aquecimento. Em contrapartida, as vigas mistas com 100% de areia reciclada ou com 100% de agregados totais reciclados exibiram comportamento mais satisfatório que a viga mista de referência, por conta dos menores deslocamentos centrais e temperaturas para o mesmo tempo de aquecimento. Essa tendência também foi identificada nos ensaios de flexão pós-fogo e de propriedades mecânicas residuais dos concretos. Logo, verificou-se que o uso de agregados reciclados é uma estratégia promissora para a produção de concretos de revestimento de vigas de aço, por conta do desempenho adequado do sistema misto em situação de incêndio.
Palavras-chave Agregado reciclado; empacotamento de Partículas; concreto; vigas mistas parcialmente revestidas; incêndio.

English
Title Analysis of the flexural behavior of steel beams partially encased with recycled aggregate concrete in fire situation
Abstract
Steel structures do not show a good behavior under fire situation when not protected due to the high thermal conductivity of the material and because of the slenderness of their components. This leads to the quick heating of the structural elements and to an accelerated degradation of their mechanical properties. One of the ways to improve the fire resistance of steel elements consists of encasing it with concrete to protect them from the fire, since concrete is a good thermal insulator material. Considering the environmental concerns, this work aimed to study the influence of the concrete encasing produced with recycled aggregate on the flexural behavior of partially encased composite beams in a fire situation. Initially, the recycled aggregates were characterized and then the particle packing technique, Alfred’s Model, was applied to produce the concrete. The results of this step indicated that these aggregates present higher porosity, higher water absorption and lower specific mass when compared to natural aggregates. Then, seven different concrete mixtures were produced: the reference one made with natural aggregates and using a traditional design and another six mixtures using different recycled aggregates employing the particle packing. This methodology promoted a reduction in cement consumption of the reference mixture and entire substitution of the part of natural aggregates for recycled ones, generating concrete with compressive strength greater than 20 MPa, thus being suitable for structural usage. The next step consisted in analysing the efficiency of those seven mixtures as a thermal insulator to the steel profiles. The experiments revealed that those recycled aggregates concretes have good thermal insulation properties once the steel elements encased with these concretes presented equal or even low temperatures compared to the element encased with conventional concrete, except those that presented spalling. Based on these experiments, numerical thermal models were proposed using the ABAQUS computational code, whose results were consistent when adopting correct thermal properties. Regarding the structural elements, four steel beams were partially encased with different concretes (one conventional and others with recycled aggregates). They were subjected to bending tests at room temperature, in fire situation (heating time equal to 35 minutes) and post-fire. In terms of resistance, the tests showed that the concrete type does not significantly influence the structure resistance at room temperature. When evaluating the performance in fire, the beam made of 100% recycled coarse aggregate presented the highest temperatures and half-span displacements at the end of the heating process. However, the composite beams with 100% recycled sand or 100% total recycled aggregates showed better performance compared to the composite beam used as reference, due to the smaller central displacements and temperatures for the same heating time. This tendency was also identified in the post-fire bending and residual mechanical properties concrete tests. Therefore, it was found that the usage of recycled aggregates is a promising strategy for the production of concrete for encasing steel beams due to the good behaviour of composite structures in a fire situation.
Keywords Recycled aggregate; particle packing; concrete; partially encased composite beams; fire.