Experimental and numerical investigation on structural concrete masonry, with and without coating, in fire situation

A alvenaria estrutural tem sido largamente empregada no Brasil, desde edificações de pequeno porte até edifícios da ordem de vinte e quatro pavimentos. Porém, seu desempenho em situação de incêndio é ainda pouco conhecido, evidenciando grande carência de estudos nessa área. O presente trabalho tem como objetivo investigar, por meio de análises numéricas e experimentais, o comportamento da alvenaria estrutural de blocos de concreto quando submetida ao Incêndio-Padrão da ISO 834-1:1999. Blocos, prismas e pequenas paredes foram analisados experimentalmente em temperaturas elevadas por meio da utilização de um forno a gás, onde foram expostos ao fogo em uma ou mais faces, sem a introdução de carregamento mecânico. Os corpos de prova foram instrumentados com termopares para obter a evolução da temperatura na seção transversal e, após o resfriamento, os mesmos foram conduzidos a ensaios de compressão para obtenção de sua resistência residual. Os resultados mostram que a alvenaria estrutural sofre significativamente com a ação do fogo, visto que, após 70 minutos de exposição, as paredes com função de compartimentação apresentaram resistência residual média igual a 46%, reduzindo para apenas 14% quando ambas as faces são expostas ao fogo. Dois tipos de revestimentos foram então avaliados como forma de proteção contra o fogo: com gesso em pasta ou argamassa de cimento, cal e areia, tendo espessuras de 5 e 10 mm, respectivamente. Nessas situações, foram registrados tempos superiores a 60 minutos para que toda a espessura do septo longitudinal dos blocos exposto ao fogo atingisse temperaturas acima de 500°C, sendo bem superior aos 35 minutos obtidos no caso sem revestimento. Tal redução dos níveis de temperatura na seção minimizou a perda de resistência da alvenaria: mesmo após um tempo de exposição maior (120 minutos), os corpos de prova apresentaram resistência residual da mesma ordem de grandeza em comparação ao caso sem revestimento. Paralelamente aos experimentos, foram desenvolvidos modelos numéricos no ABAQUS voltados a análises paramétricas via Método dos Elementos Finitos (MEF), cujos resultados mostram forte influência do carregamento mecânico e da esbeltez na resistência ao fogo da alvenaria estrutural. Sem revestimento, as pequenas paredes apresentaram tempo de resistência ao fogo máximo igual 60 minutos, caindo para valores abaixo de 40 minutos quando sob carregamento superior a 60% em relação à sua resistência inicial. Portanto, considerando os níveis de temperatura atingidos, a degradação dos materiais e a expressiva redução na capacidade resistente, os resultados numéricos e experimentais apontam para a necessidade de proteção da alvenaria contra o fogo. Nesse contexto, revestimentos à base de cimento ou gesso se apresentam como alternativas a serem melhor investigadas, de forma a correlacionar espessura e capacidade de aderência ao tempo de resistência ao fogo. Por fim, as análises mostram que a avaliação da alvenaria segundo as principais normas estrangeiras pode resultar contra a segurança em situação de incêndio, sendo necessários ajustes nas metodologias antes de sua aplicação à realidade brasileira.Structural masonry has been widely used in Brazil ranging from small buildings to approximately twenty-four-storey buildings. However, its performance is still little known in fire situation, which shows a lack of studies in this area. The present work aims to investigate, through numerical and experimental analyses, structural concrete masonry behavior when exposed to the ISO 834-1:1999 Standard Fire. Blocks, prisms and small walls were experimentally analyzed at high temperatures using a gas-fueled furnace, where they were exposed to fire on one or more faces, without applying mechanical loading. The specimens were instrumented with thermocouples to obtain the cross-sectional temperature evolution, and after cooling, they were conducted to compression tests to obtain their residual strength. The results show that structural masonry experiences significant damage from fire since, after 70 minutes of exposure, the walls with a separating function showed an average residual strength equal to 46%, decreasing to only 14% when both faces were exposed to fire. In order to evaluate ways to protect masonry against fire, two types of coatings were tested: with a 5 mm thick gypsum plaster or a 10 mm thick cement-lime based mortar. In these situations, the exposed block\'s shells took more than 60 minutes to reach temperatures above 500°C on their entire thickness, which is much longer than the 35 minutes resulted from the uncoated specimens. Such temperature reduction in the cross section minimized the loss of strength: even after a longer time of fire exposure (120 minutes), the specimens showed similar residual strength compared to the case without coating. In parallel with the tests, numerical models were developed in ABAQUS to carry out a parametric analysis using the Finite Element Method (FEM), whose results show a significant influence of mechanical loading and slenderness on the fire resistance of structural masonry. Without coating, the small walls showed maximum fire resistance rating equal to 60 minutes, falling to values below 40 minutes for loads greater than 60% regarding their initial strength. Therefore, considering the temperature levels reached, the material degradation and the significant reduction in the loadbearing capacity, the numerical and experimental results point to the need to protect masonry against fire. In this context, cement-based or gypsum-based mortar coatings are presented as alternatives to be further investigated, in order to correlate thickness and bond strength with the fire resistance of masonry. Finally, the results show that designing masonry according to the prescriptions of the main foreign codes can lead to unsafe results in fire situation; thus, adjustments in their assessment methods are needed before being applied to the Brazilian constructions