Análise probabilística termoestrutural de pilares de concreto armado

Abstract

O presente trabalho tem como principal objetivo a avaliação da confiabilidade de pilares de concreto armado de seção transversal retangular à temperatura ambiente e em situação de incêndio. Para tal, foi empregado um algoritmo que permite a verificação de pilares de concreto armado, com índice de esbeltez qualquer, sujeitos à flexão composta oblíqua, levando-se em consideração as não linearidades física e geométrica, admitindo as seções transversais com uma forma poligonal qualquer e uma disposição arbitrária de armaduras, sendo a verificação realizada pelo método do equilíbrio em conjunto ao método geral. O incêndio tem seus efeitos considerados de forma simplificada, estimando-se a temperatura no concreto e no aço das seções transversais através do método de Wickström, para que seja possível desconsiderar as regiões superficiais de concreto com temperatura acima de 500 °C (método das isotermas de 500 °C) e corrigir as propriedades mecânicas do aço sob altas temperaturas conforme as recomendações da NBR 15200 (2012). Dessa forma, a análise em situação de incêndio é realizada através do método simplificado, desenvolvida da mesma forma que em temperatura ambiente, porém, considerando os efeitos da temperatura sobre os materiais. A segurança dos pilares foi estimada através da aplicação dos conceitos da confiabilidade estrutural, sendo as análises probabilísticas realizadas através do First Order Reliability Method e da simulação de Monte Carlo com amostragem por importância adaptativa. Foi levada em consideração a aleatoriedade das ações (permanente e variável), resistência dos materiais (aço e concreto), geometria da seção transversal (altura, base e cobrimento), temperatura e erros de modelagem. Pôde ser estimada a segurança dos pilares, projetados dentro das hipóteses assumidas neste trabalho, tanto em uma situação normal, como em uma situação de incêndio, seguindo-se as recomendações normativas das NBR 6118 (2014) e NBR 15200 (2012), avaliando-se um possível estado-limite último, que pode ser à nível de seção transversal (estado-limite último de equilíbrio), ou por instabilidade (estado-limite último de instabilidade). Nas análises em situação de incêndio, foi avaliado como a confiabilidade varia no tempo, sendo o pilar sujeito a um incêndio completamente desenvolvido até 4 horas de exposição ao fogo. Diversos testes paramétricos desenvolvidos em conjunto às simulações probabilísticas são apresentados, os quais avaliam a influência de cada um dos parâmetros investigados na segurança dos pilares projetados.

The main objective of this study is to evaluate the reliability of reinforced concrete columns with rectangular cross-sections at room temperature and in fire situations. To this end, an algorithm that allows the verification of reinforced concrete columns, with any slenderness index, subject to oblique bending was used, taking into account the physical and geometric nonlinearities, assuming the cross-sections with any polygonal shape and an arbitrary arrangement of reinforcement, being the verification performed by the equilibrium method in conjunction with the general method. The effects of fire are considered in a simplified way, estimating the temperature in the concrete and steel of the cross-sections through the Wickström method so that it is possible to disregard the superficial regions of concrete with a temperature above 500 °C (method of isotherms of 500 °C) and correct the mechanical properties of steel under high temperatures according to the recommendations of NBR 15200 (2012). Thus, the analysis in a fire situation is performed through the simplified method, developed in the same way as at room temperature, however, considering the temperature effects on the materials. The safety of the columns was estimated by applying the concepts of structural reliability. The probabilistic analyses were performed through the First Order Reliability Method and Monte Carlo simulation with adaptive importance sampling. The randomness of actions (live and dead), strength of materials (steel and concrete), cross-section geometry (height, width and cover), temperature, and modeling errors were taken into account. It was possible to estimate the safety of the columns, designed within the hypotheses assumed in this work, both in a normal situation and in a fire situation, following the normative recommendations of NBR 6118 (2014) and NBR 15200 (2012), evaluating a possible ultimate limit state, which can be at the cross-section level (equilibrium ultimate limit state), or by instability (instability ultimate limit state). The analyses under fire conditions evaluated how reliability varies over time, with the column being subjected to a fully developed fire for up to 4 hours. Several parametric tests developed in conjunction with the probabilistic simulations are presented, which evaluate the influence of each of the investigated parameters on the safety of the designed columns.