Estudos preliminares visando o uso da dilatometria na determinaçÃo da expansão por umidade – epu



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Anais do 44º Congresso Brasileiro de Cerâmica 1480

31 de maio a 4 de junho de 2000 - São Pedro – S.P.

ESTUDOS DAS CAUSAS DA FALÊNCIA ESTRUTURAL DE EDIFÍCIO EM ALVENARIA ESTRUTURAL


F.S. Miranda*, L.V. Amorim**, G.A. Neves***, R.A. Oliveira**** e H.C. Ferreira***

Av. Aprígio Veloso, 882, Bodocongó, 58109-970, Campina Grande, PB, heber@dema.ufpb.br

*Aluno de Mestrado em Engenharia Civil, DEC/CCT/UFPB

**Aluna de Doutorado em Engenharia de Processos, CPGEP/CCT/UFPB

***Professores do Departamento de Engenharia de Materiais, DEMa/CCT/UFPB

****Professor do Departamento de Engenharia Civil, UFPE

RESUMO


Este trabalho investigou as causas pelas quais um edifício, situado em Jaboatão dos Guararapes, PE, sofreu em 1997 um colapso em sua estrutura. Para tanto, foram coletados tijolos cerâmicos, afetados e não afetados pela ação da umidade, que foram cortados nas dimensões de 6cm x 2cm x 0,5cm e de 5cm x 0,8cm x 0,8cm. Estes corpos de prova foram submetidos aos ensaios de determinação da presença de sais solúveis, resistência mecânica à flexão, autoclavagem, a 1,035MPa (150psi) por período de 5 horas, e dilatometria até temperatura de 500oC para determinação da expansão por umidade total e real. Os resultados evidenciaram a presença de pequeno grau de salinização, bem como a evidência do fenômeno de expansão por umidade, sendo este fator determinante da baixa resistência mecânica e causador da falência estrutural do edifício.
Palavras-chave: Expansão por umidade, colapso estrutural, alvenaria estrutural
INTRODUÇÃO

A expansão por umidade (EPU) em materiais cerâmicos tem sido estudada desde a década de 20, por numerosos pesquisadores. Contudo, apenas nos anos 50 que este fenômeno foi indicado como a causa de danos estruturais em alvenarias.

A EPU pode ser definida como sendo o fenômeno decorrente da adsorção de água por corpos porosos, tanto na forma líquida como de vapor, expandindo vagarosamente, de forma indefinida, numa razão não constante, mas que diminui com o tempo(1).

Embora as causas que levam ao desenvolvimento deste fenômeno não sejam perfeitamente entendidas, sabe-se que corpos cerâmicos adsorvem umidade a partir do momento que é iniciado o seu resfriamento, logo após a queima(2), (3), e a água adsorvida pode produzir uma contração inicial, que é seguida por uma expansão proporcional a quantidade de água adsorvida(4), (5), (6), (7), (8).

Segundo alguns autores, a expansão por umidade pode ser causada por água de capilaridade(7), por água fisicamente adsorvida(2), (4), (5), (9), (10) e por água quimicamente adsorvida(4). A água condensada por capilaridade ocorre em grandes poros, e pode ser eliminada por aquecimento do corpo a 110oC, eliminando toda a expansão por umidade sofrida. A água fisicamente adsorvida na superfície dos poros requer temperaturas maiores que 110oC para serem removidas. Segundo Holdridge(4), a água quimicamente ligada é a principal causa da EPU.

Segundo Demeduik e Cole(11), a EPU é resultado da água condensada por capilaridade, da água fisicamente adsorvida, da água quimiadsorvida, da água quimicamente ligada, ou da combinação de todos estes fatores, e a magnitude da expansão depende claramente da composição química e mineralógica do produto cerâmico queimado.

Em 1954(12), a expansão por umidade causou a falha estrutural de três construções, e em 1959(13), foram ensaiadas 27 amostras de tijolos cerâmicos comerciais, os quais apresentaram valores de EPU variando na faixa entre 0,08mm/m (0,008%) a 1,96mm/m (0,196%). Esta faixa de EPU apresentou valores superiores aos obtidos a partir do estudo de McBurney (0,5mm/m)(12), o que levou o autor a propor um limite aceitável de expansão, de 2mm/m (0,2%).

No Brasil, as pesquisas sobre a EPU são ainda incipientes, e foram iniciadas nos Departamentos de Engenharia de Materiais das Universidades de São Carlos (UFSCar), de Santa Catarina (UFSC) e da Paraíba (UFPB). Na UFSCar e na UFSC, os trabalhos foram desenvolvidos com o objetivo de verificar a influência da adição de carbonatos de cálcio e magnésio sobre a EPU de corpos cerâmicos(14), (15). Na UFPB, as pesquisas, ainda em andamento, tem como intuito estudar o problema da EPU em cerâmica vermelha e em revestimentos cerâmicos, fornecendo subsídios para um entendimento adequado dos fenômenos envolvidos(16), (17).

Recentemente, em 1997, a expansão por umidade foi novamente apontada como a causa da falha mecânica da alvenaria de fundação, que levou à falência um edifício situado no Estado de Pernambuco, Brasil(18) . Esta edificação foi executada há cerca de 14 anos, sendo totalmente construída em alvenaria estrutural singela, de tijolos cerâmicos vazados de seis furos.

Este trabalho tem como objetivos investigar as causas do colapso estrutural sofrido pelo Edifício Aquarela, em 1997, e em particular, estudar a expansão por umidade (EPU) dos tijolos cerâmicos afetados e não afetados pela ação da umidade.


MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais. Para o desenvolvimento deste trabalho foram estudadas amostras de tijolos cerâmicos do embasamento (afetados pela ação da umidade), denominados de tijolos afetados, e de tijolos cerâmicos da alvenaria de elevação (não afetados pela ação da umidade), denominados de tijolos não afetados. As amostras são do mesmo tipo e oriundas de uma mesma olaria. São provenientes do Edfício Aquarela, situado à rua Sucupira do Norte, 205, Piedade, Jaboatão dos Guararapes, PE.

A amostra de tijolos afetados apresentou valor de resistência à compressão, de acordo com a NBR-6461/83, de 2,4MPa, enquanto que a amostra de tijolos não afetados apresentou valor de 2,9MPa. Observando-se: 1) os valores de resistência à compressão são superiores ao valor mínimo recomendado pela norma supracitada (1,0MPa) e 2) uma queda da resistência à compressão da ordem de 20%, ao longo de 11 anos.



Métodos

Corpos de Prova – Foram cortados corpos de prova a partir das amostras de tijolos afetados e tijolos não afetados, nas dimensões de 6cm x 2cm x 0,5cm e de 5cm x 0,8cm x 0,8cm.

Salinidade – A salinidade dos tijolos afetados e dos tijolos não afetados foi determinada em corpos de prova de 6cm x 2cm x 1cm, através de ensaio qualitativo, desenvolvido por Ribeiro(19), com base no método da ASTM(20). O método consiste em deixar os corpos de prova parcialmente imersos em água destilada, havendo evaporação da água transportada por capilaridade para a parte da amostra não imersa. Com a evaporação, caso hajam sais solúveis, forma-se um depósito de cor branca em sua superfície.

Requeima dos Corpos de Prova – Os corpos de prova de 5cm x 0,8cm x 0,8cm foram requeimados à temperatura de 500oC, com velocidade de aquecimento de 150oC/h, e patamar de queima de 2h, segundo a norma NBR-13818(21).
Ensaios de Determinação da Expansão por Umidade (EPU)

Autoclavagem – O ensaio de autoclavagem foi realizado em corpos de prova de 5cm x 0,8cm x 0,8cm, segundo norma C370(22), utilizando uma pressão de vapor de 1,035MPa (150psi) por período de 5h. Os resultados de EPU são expressos em mm/m, com aproximação de duas casas decimais.

Dilatometria – Os corpos de prova de 5cm x 0,8cm x 0,8cm, sem tratamento térmico e após autoclavagem a 1,035MPa (150psi) por 5h, foram ensaiados em dilatômetro da marca BP Engenharia modelo RB12. Os ensaios foram realizados utilizando temperatura de aquecimento de 500oC, a velocidade de 5oC/min, e resfriadas até temperatura de 200oC a velocidade de 2oC/min, e até temperaturas próximas a ambiente a 1oC/min. Os resultados de EPU dos corpos de prova sem tratamento térmico, denominados de EPUreal, e dos corpos de prova após autoclavagem, denominados de EPUtotal, são a média de três determinações e são expressos em mm/m.

Foram calculadas três tipos de EPU’s, EPU real, EPU total e EPU futura. Este procedimento tem como objetivo principal avaliar a EPU sofrida pelos tijolos afetados e não afetados durante o período que esteve em uso (EPU real), avaliar a EPU que os tijolos afetados e não afetados seriam capazes de desenvolver durante toda a sua vida útil (EPUtotal), bem como a evolução da EPU, de forma a conhecer toda a expansão que estes tijolos poderiam apresentar no futuro (EPU futura), sendo esta EPU futura expressa através da equação (A):



Comportamento Mecânico – Foram determinadas as tensões de ruptura à flexão das amostras de tijolos afetados e não afetados em corpos de prova de 6cm x 2cm x 1cm. Foram ensaiados dez corpos de prova secos e dez corpos de prova saturados, de cada amostra. A condição seca, foi obtida em estufa a 110oC, e a condição saturada foi obtida por imersão em água durante o período de 72 horas consecutivas.
RESULTADOS E DISCUSSÃO

Salinidade – As amostras de tijolos afetados não apresentaram sais solúveis por terem sido lixiviados pela ação de águas pluviais e do lençol freático, enquanto que as amostras de tijolos não afetados, apresentaram pequena quantidade de sais.


Determinação da Expansão por Umidade (EPU)

Dilatometria – Na Tabela I, encontram-se os resultados obtidos, através dos ensaios de dilatometria, com temperatura de execução de 500oC, de EPUreal, de EPUtotal e de EPUfutura, para as amostras de tijolos afetados e não afetados.

Tabela I: Expansão por umidade atual, total e futura das amostras de tijolos afetados e não afetados determinada através da análise dilatométrica


Amostras

EPUreal (mm/m)

EPUtotal (mm/m)

EPUfutura (mm/m)

Tijolos afetados

1,80

2,95

1,15

Tijolos não afetados

0,62

2,70

2,08

Os resultados de EPU da amostra de tijolos afetados foram de 1,80mm/m para a EPUreal, de 2,95mm/m para a EPUtotal, e de 1,15mm/m para a EPUfutura. Para a amostra de tijolos não afetados os resultados foram de 0,62mm/m para a EPUreal, de 2,70mm/m para a EPUtotal, e de 2,08 m/m para a EPUfutura.

Mediante os resultados, podemos observar que o valor da EPUreal, para a amostra de tijolos afetados, foi de aproximadamente 3 vezes (200%) o valor apresentado pela amostra de tijolos não afetados. Este comportamento mostra que os tijolos do embasamento (tijolos afetados) sofreram maior expansão que os da alvenaria de elevação (tijolos não afetados), em virtude do contato direto com as águas do lençol freático.

Para a EPUtotal, podemos observar que os resultados apresentados pelas amostras de tijolos afetados e não afetados foram bastante próximos, indicando que os tijolos cerâmicos apresentam tendências similares a desenvolverem expansão por umidade.

Para a EPUfutura, o resultado apresentado pela amostra de tijolos afetados foi aproximadamente 55% do valor apresentado pela amostra de tijolos não afetados. A partir destes dados, podemos verificar que as amostras de tijolos cerâmicos estudadas ainda poderiam desenvolver o fenômeno de expansão por umidade, causando danos ainda maiores.

Comparando os resultados de EPU contidos na Tabela I, com o valor limite de EPU de 0,3mm/m, proposto pela especificação AS 1226.5(23) para tijolos cerâmicos, observa-se que todos os valores de EPU obtidos são superiores ao limite proposto, sendo a EPUreal 6 vezes superior, a EPUtotal 10 vezes superior e a EPUfutura, 4 vezes superior, para a amostra de tijolos afetados. Para a amostra de tijolos não afetados, os valores foram de: EPUreal 2 vezes superior, a EPUtotal 9 vezes superior e a EPUfutura, 7 vezes superior ao limite proposto.


Comportamento Mecânico – Na Tabela II, encontram-se os resultados obtidos para a tensão de ruptura à flexão das amostras de tijolos afetados e não afetados, nas condições seco e úmido.

Os resultados obtidos para a tensão de ruptura à flexão variaram de 1,5MPa, para a amostra de tijolo afetado úmido, a 5,8MPa, para a amostra de tijolo não afetado seco a 110oC. A amostra de tijolo afetado quando seco a 110oC apresentou valor de tensão de ruptura à flexão de 2,5MPa, enquanto que a amostra de tijolo não afetado quando úmida apresentou valor de 2,6MPa.

Através dos resultados obtidos para as tensões de ruptura à flexão das amostras estudadas, podemos observar que a amostra de tijolos afetados apresenta comportamento mecânico bastante inferior ao apresentado pela amostra de tijolos não afetados.

Considerando uma situação normal de uso destas amostras, na qual os tijolos encontram-se como na condição seco a 110oC e, portanto, com boa resistência mecânica, contudo, durante a estação de inverno, quando ocorrem os problemas, tem-se a condição úmido, com as amostras de tijolos afetados apresentando uma redução na resistência à flexão de 5,8MPa a 1,5MPa, uma redução bastante elevada.


Analisando os dados da resistência mecânica (Tabela II) com os da expansão por umidade (Tabela I), podemos observar que a amostra de tijolos afetados foi a que apresentou menor tensão de ruptura à flexão e maior EPUreal, confirmando que a queda no comportamento mecânico foi causada pela expansão por umidade desenvolvida durante o tempo de uso.

Tabela II: Tensão de ruptura à flexão das amostras de tijolos afetados e não afetados, nas condições seco e úmido



Amostras

Condição de ensaio

Tensão de ruptura à flexão (MPa)

Tijolo afetado

Seco a 110oC

2,5

Úmido

1,5

Tijolo não afetado

Seco a 110oC

5,8

Úmido

2,6

CONCLUSÕES



Com o objetivo de investigar as causas do colapso estrutural sofrido pelo Edifício Aquarela, em 1997, e em particular, estudar a expansão por umidade (EPU) dos tijolos cerâmicos afetados e não afetados pela ação da umidade, concluiu-se que:

  • os tijolos não afetados apresentaram pequenas evidências de sais solúveis, enquanto que os tijolos afetados não apresentaram salinidade;

  • a amostra de tijolos afetados apresentou EPUreal de aproximadamente 200% maior que a amostra de tijolos não afetados;

  • as amostras de tijolos afetados e não afetados apresentaram EPUtotal bastante similar;

  • a amostra de tijolos afetados apresentou EPUfutura, de aproximadamente 55% menor que a amostra de tijolos não afetados;

  • as expansões por umidade (real, total e futura) apresentadas pelas amostras de tijolos afetados e tijolos não afetados foram bastante superiores ao limite aceitável para tijolos cerâmicos (0,3mm/m), e

  • a amostra de tijolos afetados apresentou comportamento mecânico bastante inferior ao apresentado pela amostra de tijolos não afetados.

Em resumo, podemos concluir que os efeitos da salinidade nos tijolos cerâmicos afetados e não afetados são desprezíveis, e que o fenômeno de expansão por umidade, foi fator determinante do baixo comportamento mecânico e causador da falência estrutural do edifício.
REFERÊNCIAS

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  3. W.F. Cole, Some Aspects of Weathering of Terra-Cotta Roofing Tiles, Australian J. Appl. Sci. 10, 3 (1959) 346.

  4. D. A. Holdridge, Some Aspects of Moisture Expansion of Ceramic Bodies, Anais do Congresso Internacional de Cerâmica, Zurich, 1950, p. 191.

  5. A.N. Smith, Investigation on Moisture Expansion of Porous Ceramic Bodies, Trans. Brit. Ceram. Soc. 54, 5 (1955) 300.

  6. H. Spurrier, Some Observations on Terra Cotta Physics, J. Am. Ceram. Soc. 10, 9 (1927) 686.

  7. H.H. Holscher, Effects of Autoclave Treatments on Ceramic Bodies and Clays, J. Am. Ceram. Soc. 14, 3 (1931) 207.

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  9. D.J.C. Yates, Expansion of Porous Silica Glass Produced by Adsorption of Nonpolar Gases at Liquid Air Temperatures, Trans. Brit. Ceram. Soc. 54, 5 (1955) 272.

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  11. T. Demediuk, W.F. Cole, Contribution to the Study of Moisture Expansion in Ceramic Materials, J. Am. Ceram. Soc. 43, 7 (1960) 359.

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  13. J.E. Young, W.E. Brownell, Moisture Expansion of Clay Products, J. Am. Ceram. Soc. 42, 571 (1959).

  14. L. Chiari, C.J. Oliveira, N.V. Forjaz, A.O. Boschi, Expansão por Umidade – Parte II. Efeito da Adição de Calcita, Cerâmica Industrial 01, 07/08 (1996) 35.

  15. C. Lira, O.E. Alarcon, M.D.M. Silveira, J.A.A. Bianchi, E.L. Honorato, L. Costa, Efeitos da Composição e da Temperatura de Queima na Expansão por Umidade de Corpos Cerâmicos, Cerâmica Industrial 02, 01/02 (1997) 17.

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  20. ASTM, Standart Test Methods of Sampling and Testing Brick and Structural Clay Tile, C67-92a, 1992.

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  22. ASTM, Standart Test Method for Moisture Expansion of Fired Whiteware Products C 370-88, 1994.

  23. AS, Methods of Sampling and Testing Clay Building Bricks, Method for Determining Characteristic Expansion, 1226.5, 1994.

STUDIES OF THE CAUSES OF THE STRUCTURAL FAILURE OF BUILDING IN STRUCTURAL MASONRY

ABSTRACT

This work investigated the causes in which a building in Jaboatão dos Guararapes, PE, collapsed in 1997. Ceramic bricks from the structure of affected masonry were collected. It was selected some bricks from affected and not affected area by humidity. These bricks were cut to obtain samples in dimensions of 6cm x 2cm x 0,5cm and 5cm x 0,8cm x 0,8cm. These samples were submitted to tests of salinity, mechanical strength autoclaving at 1,035MPa (150psi) for 5 hours and thermal expansion until 500oC, to determine moisture expansion. The results shown the presence of small amount of salinity and some moisture expansion. So, these results can be determinant to low mechanical strength and structural failure of the building.



Key words: Moisture expansion, structural collapse, structural masonry

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