Comportamento à flambagem (shear) de vigas de concreto de alta resistência com aberturas circulares expostas ao fogo

Por que orifícios em vigas de concreto importam em um incêndio

Edifícios modernos são cruzados por tubulações, cabos e dutos ocultos, muitos dos quais passam por aberturas cortadas em vigas de concreto. Essas aberturas economizam espaço e simplificam a passagem de instalações, mas também enfraquecem a estrutura — especialmente em um incêndio, quando o concreto e o aço são levados ao limite. Este estudo investiga como vigas de concreto de alta resistência com grandes aberturas circulares se comportam sob calor intenso e como dois métodos práticos de reforço podem ajudá-las a sobreviver e garantir segurança após um incêndio.

Vigas, fogo e grandes aberturas circulares

Os pesquisadores focaram no concreto de alta resistência, um material valorizado por sua durabilidade e estrutura compacta. Essa mesma densidade, porém, o torna mais frágil e suscetível a desprendimentos explosivos quando aquecido. Em muitos edifícios reais, grandes aberturas circulares são formadas na alma (a parte central) dessas vigas para permitir a passagem de instalações. Quando a viga é solicitada, as forças precisam “contornar” a abertura, concentrando tensões e incentivando a formação de fissuras. Em um incêndio, as camadas externas do concreto aquecem, perdem resistência e fissuram-se, o que perturba ainda mais o escoamento das forças pela viga. Compreender esse efeito combinado de aberturas e fogo é essencial para engenheiros que devem avaliar se uma viga danificada ainda pode suportar cargas — ou qual é a melhor forma de repará-la.

Como os ensaios foram realizados

Para abordar o problema, a equipe construiu e testou nove vigas de tamanho idêntico. Uma foi uma referência maciça sem abertura. As outras tinham uma única grande abertura circular na alma, com cerca de metade da altura da viga, posicionada em uma região crítica para cisalhamento próxima ao apoio. Algumas vigas foram mantidas sem modificações, outras receberam fibras de aço misturadas ao concreto, e um terceiro grupo foi envolvido localmente com uma camada externa fina feita de tela metálica e argamassa, conhecida como ferrocimento. Vigas selecionadas foram aquecidas a 500 °C por uma hora enquanto suportavam uma carga moderada, e então resfriadas rapidamente com água para mimetizar condições de combate a incêndio antes de serem carregadas até a ruptura em flexão e cisalhamento.

O que o fogo e os reforços fizeram às vigas

As grandes aberturas circulares tiveram um impacto dramático. Comparada com a viga maciça de referência, uma viga sem reforço com abertura suportou apenas cerca de um terço da carga antes da ruptura, e apresentou menor deformação na falha, indicando uma resposta mais frágil. Quando essa mesma configuração foi exposta ao fogo, sua capacidade de cisalhamento caiu em até 68%, e fissuras se formaram cedo e se propagaram rapidamente ao redor da abertura. A adição de fibras de aço no concreto ajudou: fibras de 0,5% e 1,0% em volume atuaram como pontes nas fissuras e retardaram seu crescimento, elevando levemente a carga de fissuração e aumentando a carga última após o fogo em até cerca de 16%. Capas de ferrocimento envolvendo a região da abertura também melhoraram o comportamento. Elas mantiveram o concreto fissurado coeso, geraram muitas fissuras pequenas em vez de poucas largas e reduziram as flechas no vão médio. Após a exposição ao fogo, essas capas restauraram até aproximadamente 14,5% da capacidade de cisalhamento perdida e reduziram as deformações em cerca de um terço em comparação com a viga danificada sem reforço.

Verificações por gêmeos digitais e insights de projeto

Além do laboratório, os autores criaram modelos computacionais detalhados das vigas usando análise por elementos finitos, alimentando propriedades dependentes da temperatura realistas para o concreto e o aço. Esses modelos reproduziram com sucesso como as vigas deformaram, quando fissuraram e como falharam finalmente, com diferenças de apenas alguns por cento em relação aos experimentos. As vigas virtuais foram então usadas para explorar o que ocorre quando as aberturas são reduzidas ou aumentadas e quando as temperaturas de fogo variam de 400 a 600 °C. As simulações confirmaram que aberturas maiores e incêndios mais quentes reduzem drasticamente a resistência ao cisalhamento, e que os benefícios do reforço são menos pronunciados quando a abertura se torna muito grande.

O que isso significa para edifícios reais

Para não especialistas, a mensagem principal é direta: grandes aberturas circulares em vigas de concreto de alta resistência podem se tornar pontos fracos sérios, especialmente após um incêndio severo. Este estudo mostra que misturar fibras curtas de aço ao concreto pode ajudar a viga a suportar mais carga e absorver mais energia após a fissuração, enquanto capas finas de ferrocimento são particularmente eficazes em limitar a flambagem por flexão e a aparência de vaio visível. Juntamente com modelos computacionais confiáveis, essas conclusões dão aos engenheiros ferramentas melhores para avaliar quando vigas danificadas pelo fogo com aberturas podem ser reparadas, quão eficazes diferentes métodos de reparo provavelmente serão e quando a substituição completa é a opção mais segura.

Citação: Sedawy, A.E., Beshr, A.A.A. & Mahmoud, I.A. Shear behavior of high-strength reinforced concrete beams with circular openings under fire exposure. Sci Rep 16, 13138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43162-y

Palavras-chave: segurança estrutural contra incêndio, concreto de alta resistência, aberturas em vigas, armadura com fibras de aço, reabilitação com ferrocimento