Pretendendo-se com este trabalho contribuir, como referido, para uma verificação eficaz, por parte dos projetistas, da resistência ao fogo dos pilares em betão armado e verificar que alterações à prática corrente do seu dimensionamento à temperatura normal poderiam ser propostas, houve que analisar estatisticamente os pilares inseridos nas estruturas de edifícios correntes já licenciados, para poder identificar as situações mais frequentes e poder analisar os parâmetros intervenientes neste processo. O tratamento estatístico foi de substancial importância permitindo, nomeadamente, definir a distribuição dos pilares pelos escalões de resistência ao fogo, identificar os valores mais correntes dos parâmetros de entrada nas tabelas apresentadas na EN 1992-1-2 (EC2-1-2, 2010), identificar as práticas de projeto a alterar de modo a minimizar os efeitos da verificação da resistência ao fogo, comparar o desempenho ao fogo dos pilares de secção retangular com o dos pilares de secção circular, comparar a eficácia dos modelos apresentados sob a forma de tabelas, disponíveis naquela norma, e comparar a eficácia destes modelos com o novo modelo proposto nesta dissertação.
Tomando em consideração os objetivos essenciais desta dissertação, organizou-se o desenvolvimento da matéria a tratar sequencialmente, inserindo-a criteriosamente nos seguintes capítulos:
Capítulo 1 - Introdução
No presente capítulo justifica-se a motivação da escolha do tema, apresentam-se os objetivos essenciais que serviram de base à definição das linhas orientadoras do desenvolvimento do trabalho e mostra-se a metodologia seguida no processo de pesquisa com vista a atingir esses objetivos.
Capítulo 2 - Estado da arte
Neste capítulo apresenta-se a regulamentação portuguesa e a normalização europeia que serviriam de base à matéria a tratar, mostrando-se de forma mais desenvolvida as partes essenciais de modo a permitir a sua fácil compreensão. Na sequência de exaustiva pesquisa, apontam-se os estudos científicos publicados mais pertinentes relacionados com a matéria a desenvolver nesta dissertação, o comportamento em situação de incêndio e a avaliação da resistência ao fogo de pilares em betão armado, focando o comportamento do betão e do aço das armaduras a elevadas temperaturas, a análise térmica e mecânica das secções e das estruturas durante o incêndio, a análise das secções após um incêndio e programas de cálculo automático relevantes, retendo-se as conclusões apresentadas por alguns dos autores sobre os tópicos relevantes para o desenvolvimento do presente trabalho.
Capítulo 3 - Análise da resistência ao fogo de pilares em betão armado - enquadramento do estudo Apresenta-se, neste capítulo, a metodologia seguida para a seleção criteriosa dos edifícios a analisar, de modo a corresponderem a uma amostra representativa dos licenciados em Portugal. Para a validação desta amostra, constituída por sessenta e três edifícios, estuda-se o seu enquadramento estatístico do ponto de vista da localização dos edifícios, do tipo de ocupação e da sua altura, recorrendo aos dados estatísticos disponibilizados pelo Instituto Nacional de Estatística (INE, 2009). Expõem-se as razões da escolha das regiões onde se inserem esses edifícios, contemplando a uniformização de critérios de dimensionamento e de redução de variáveis, no âmbito deste trabalho. Desenvolvem-se os procedimentos para a análise dos edifícios, de modo a definir as categorias de risco de incêndio e os escalões de resistência ao fogo correspondentes às utilizações-tipo neles inseridas. Analisa-se a distribuição percentual dos escalões de resistência ao fogo em cada utilização-tipo e a distribuição percentual das 114 utilizações-tipo incluídas nos projetos analisados, pelos escalões de resistência ao fogo. Ainda neste capítulo mostra-se o enquadramento estatístico dos pilares de betão armado inseridos nas estruturas dos edifícios objeto do estudo, nomeadamente do ponto de vista da forma (quadrangular, retangular e circular) e das dimensões das secções transversais. Alerta-se para as consequências da aplicação da regulamentação portuguesa na definição das categorias de risco dos edifícios de utilização mista e, consequentemente, dos respetivos escalões de resistência ao fogo, nomeadamente a resultante do articulado do n.º5 do Art.º13º do D.L.220/2008, RJ-SCIE (2008). Este ponto foi recentemente alterado, com novo texto dado no Decreto-Lei nº 224/2015, de 9 de Outubro, D.L. n.º 224 (2015), não surgindo, agora, dúvidas na sua interpretação.
Complementam este capítulo os seguintes anexos:
Anexo A3.1 - Cálculo do efetivo das utilizações-tipo inseridas nos edifícios analisados Anexo A3.2 - Cálculo da densidade de carga de incêndio
Anexo A3.3 - Definição dos escalões de resistência ao fogo dos edifícios estudados Anexo A3.4 - Caraterísticas dos pilares analisados
Capítulo 4 - Parâmetros que mais afetam a conformidade dos pilares em situação de incêndio, quando aplicados os métodos tabelados
Neste capítulo desenvolve-se a aplicação dos métodos baseados em valores tabelados, Método A, Método B e Método C, na verificação da resistência ao fogo dos pilares objeto deste estudo. Analisa-se a distribuição dos pilares retangulares e dos pilares circulares pelos escalões de resistência ao fogo, assim como a distribuição das suas secções transversais, para cada valor da menor dimensão da secção transversal, nos pilares retangulares, e para cada valor do diâmetro, nos pilares circulares. Para a aplicação dos métodos tabelados consideram-se os parâmetros de projeto, necessários para a verificação da sua aplicabilidade e para a entrada nas correspondentes tabelas, quando disponíveis, determinando-se os que não se encontram expressos. Tratam-se estatisticamente os valores destes parâmetros, com o intuito de identificar os mais frequentes.
Aplicam-se os métodos tabelados considerando diferentes cenários:
- Utilizando o fator de redução do nível de carregamento, ηfi, com os valores determinados
para cada projeto e o recobrimento das armaduras, cnom, com os valores previstos em
projeto;
- Utilizando a simplificação conservativa sugerida na EN 1992-1-2 (EC2-1-2, 2010), ηfi=0,7, e o recobrimento das armaduras, cnom, com os valores de projeto;
- Utilizando ηfi com os valores de projeto e o recobrimento das armaduras com os valores
mínimos determinados recorrendo ao disposto na EN 1992-1-1 (EC2-1-1, 2010), na EN 206-1 (2007) e na E 464 (2007).
Comparam-se os resultados obtidos pela aplicação de cada um dos métodos tabelados (Método A, Método B e Método C) aos pilares de secção retangular e aos pilares de secção circular, considerando estes cenários. Analisando os resultados, estuda-se a eficácia de cada um dos métodos e compara-se o desempenho, em situação de incêndio, dos pilares retangulares com o dos pilares circulares. Dirigido aos projetistas de estruturas, apresentam-se algumas recomendações em termos de prática de projeto, e apontam-se os métodos que conduzem a resultados menos conservativos, para cada situação corrente.
Complementa este capítulo o seguinte anexo:
Anexo A4 - Aplicação dos métodos que se apresentam sob a forma de tabelas Capítulo 5 - Avaliação experimental da resistência ao fogo de pilares em betão armado
A avaliação experimental da resistência ao fogo dos elementos estruturais e, em particular, dos pilares, é do maior interesse, pelo que se estudam e comparam, neste capítulo, os resultados de alguns ensaios levados a efeito no Laboratório de Ensaio de Materiais e Estruturas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, com restrição da dilatação térmica devida ao seu aquecimento e com a carga aplicada axialmente. A importância desta matéria é realçada por Franssen, J. M., Dotreppe, J. C. (2003), ao salientarem que os modelos numéricos dependem dos ensaios experimentais para a sua validação, enquanto os métodos simplificados são baseados na experiência adquirida pela aplicação dos modelos numéricos, devendo conduzir a resultados que estejam de acordo com os obtidos em ensaios experimentais. Referem, ainda, que a verificação da resistência ao fogo das estruturas não é simples, essencialmente para os pilares. Estuda-se o comportamento ao fogo de um pilar ensaiado pela autora da presente dissertação, analisando, nomeadamente, o tempo de resistência ao fogo, o desenvolvimento das temperaturas no forno, no betão e nas armaduras, observado no decorrer do ensaio, os valores das temperaturas no momento em que ocorreu o destacamento explosivo do betão, e o desenvolvimento das forças de restrição. Compara-se o comportamento ao fogo de sete pilares, três de secção transversal quadrangular, onde se encontra incluído o ensaiado pela autora, e quatro de secção circular. Considerando estes pilares, analisa-se e compara-se a relação entre o tempo de resistência ao fogo e o nível de carregamento, comparam-se os valores dos esforços axiais lidos no decorrer dos ensaios com os determinados analiticamente recorrendo ao Método da Isotérmica dos 500ºC, e comparam-se os valores da esbelteza determinados em situação de incêndio, com os calculados à temperatura normal, considerando os pilares inseridos em estruturas contraventadas e não contraventadas. Utilizam-se os Métodos dos Valores Tabelados
(Método A e Método B) e os Métodos Simplificados (Método C, Método da Isotérmica dos 500ºC e Método das Zonas) para verificar a resistência ao fogo dos sete pilares, classificados nos escalões de resistência ao fogo definidos de acordo com o tempo de resistência ao fogo observado nos respetivos ensaios, e analisam-se os resultados. Comparam-se, ainda, para dois dos pilares quadrangulares, os resultados da aplicação de alguns destes métodos com os obtidos por outros autores que recorreram a metodologias distintas no processo de verificação da resistência ao fogo destes mesmos pilares.
Capítulo 6 - Desenvolvimento dos diagramas de interação Nfi/Mfi em flexão composta
No presente capítulo apresenta-se a metodologia seguida para o desenvolvimento de um novo método, que se propõe nesta dissertação, para a verificação da resistência ao fogo de pilares em betão armado, e que consiste na consulta de diagramas de interação adimensionais desenhados em situação de incêndio, Nfi/Mfi. Aponta-se a geometria e a constituição das armaduras das
secções que se constatou serem as mais frequentes, na análise estatística desenvolvida no Capítulo 3, e para as quais se pretende desenhar os referidos diagramas de interação. Recorrendo ao estudo levado a efeito no Capítulo 4, no que concerne à distribuição dos pilares pelos escalões de resistência ao fogo, decide-se desenhar os diagramas para os escalões R60, R90 e R120, onde se insere o significativamente maior número de pilares.
Indica-se o procedimento seguido para o desenho dos diagramas de interação NRd,fi/MRd,fi, entre
esforços normais e de flexão estabelecidos para estados limites últimos de resistência, considerando extensões limites para o betão e para o aço. Mostram-se detalhadamente as opções de cálculo seguidas no decorrer do processo de desenvolvimento destes diagramas, nomeadamente do método utilizado para determinar a secção útil em situação de incêndio, das definições das extensões no betão e no aço limites dos diferentes domínios e dos coeficientes de redução das caraterísticas mecânicas do aço das armaduras devidos às elevadas temperaturas. Analisam-se e comparam-se os resultados obtidos para alguns dos parâmetros envolvidos neste processo, nomeadamente a espessura da camada de betão danificada, a redução da área da secção transversal e a redução das propriedades mecânicas do aço, para cada escalão de resistência ao fogo. Comparam-se os diagramas de interação NRd/MRd à temperatura normal e
em situação de incêndio, correspondentes a algumas secções particulares.
Mostra-se o procedimento de cálculo para o desenho dos diagramas adimensionais de interação dos esforços atuantes em situação de incêndio, NEd,fi/MEd,fi, considerando os efeitos das
imperfeições geométricas e os efeitos de segunda ordem, e analisa-se as consequências da variação da altura da secção transversal e do vão das vigas de travação no desenho destes diagramas. Estuda-se também a variação dos diagramas NEd,fi/MEd,fi com a classe de resistência
do betão e a variação dos diagramas NEd/MEd à temperatura normal e em situação de incêndio,
ambos os estudos em função das dimensões da secção transversal dos pilares, da constituição das suas armaduras e do escalão de resistência ao fogo.
Complementa este capítulo o seguinte anexo: Anexo A6 - Diagramas de interação Nfi/Mfi
Capítulo 7 - Metodologia proposta para a verificação da resistência ao fogo de pilares em betão armado Neste capítulo apresentam-se os procedimentos que conduziram aos desenhos dos diagramas adimensionais que se propõem como uma nova metodologia para a verificação da resistência ao fogo dos pilares em betão armado, assim como as simplificações assumidas, sem preterir as questões relacionadas com a segurança. Procurando-se reduzir o número de gráficos e torná-los abrangentes, de modo a que o método seja eficaz em termos de tempo de utilização, começa por se estudar a variação dos diagramas adimensionais de interaçãoNRd,fi/MRd,fi com a classe de
resistência do betão, com o tipo de aço das armaduras e com as dimensões da secção transversal e constituição das armaduras do pilar. Justifica-se a opção de se desenvolverem doze gráficos de consulta, um gráfico para cada valor da menor dimensão da secção transversal do pilar, b, e para cada valor da distância do eixo dos varões da armadura longitudinal à face mais próxima sujeita a incêndio, a, parâmetro este que depende da espessura do recobrimento das armaduras, c, e do seu diâmetro. Mostra-se detalhadamente a metodologia adotada para o desenho dos gráficos definitivos, exemplificando-se com a sua aplicação na construção de um dos gráficos e remetendo para anexo a aplicação na construção dos restantes. Apresentam-se os gráficos definitivos propostos, acompanhados de quadros indicativos da sua utilização. Aplicam-se os gráficos definitivos para proceder à verificação da resistência ao fogo dos pilares com valores da menor dimensão b=20cm, b=25cm e b=30cm, inseridos nas estruturas dos sessenta e três edifícios analisados, apresentados no Capítulo 3 desta dissertação, pilares estes já objeto da verificação da resistência ao fogo considerando a aplicação dos métodos tabelados, no estudo desenvolvido no Capítulo 4. Estudam-se os resultados obtidos pela aplicação desta nova metodologia e comparam-se esses resultados considerando os escalões de resistência ao fogo, os valores da menor dimensão da secção transversal dos pilares e a constituição das armaduras. Comparam-se os resultados obtidos utilizando a nova metodologia proposta nesta dissertação, com os resultantes da utilização dos métodos tabelados, analisando-se as discrepâncias observadas em cada escalão de resistência ao fogo.
Complementa este capítulo o seguinte anexo:
Anexo A7 - Desenvolvimento dos gráficos propostos para a verificação da resistência ao fogo de pilares
Capítulo 8 - Conclusões e desenvolvimentos futuros
Desenvolvidos os temas objeto desta dissertação apontam-se, neste último capítulo, as conclusões que foram sendo retidas no decorrer do estudo das diferentes matérias e formulam- se as conclusões finais pertinentes. Apresentam-se, também, perspetivas de desenvolvimentos futuros no que se refere à investigação nesta área, alguns dos quais a autora pretende trabalhar a curto prazo.