Avaliação e calibração do coeficiente adicional γn1 utilizado no projeto de pilares esbeltos de concreto armado pela norma brasileira NBR 6118

Abstract

Normas de projeto estrutural devem garantir que os elementos projetados alcancem níveis satisfatórios de segurança, sem onerar demasiadamente o projeto. Assim, este trabalho teve por objetivo avaliar e calibrar o coeficiente adicional 𝛾𝑛1 utilizado no projeto de pilares esbeltos pela norma brasileira NBR 6118. Foi avaliado o nível de segurança atualmente obtido em projeto, o qual se demonstrou variável com a esbeltez dos elementos. A partir disso foram propostas expressões calibradas de forma a uniformizar o nível de segurança. O trabalho também avaliou o efeito do fator de fragilidade do concreto, uma vez que esse foi adicionado recentemente à norma brasileira. Para simulação dos pilares um modelo numérico em elementos finitos foi implementado e validado através de resultados experimentais da literatura. A determinação dos índices de confiabilidade foi realizada através do método de confiabilidade de primeira ordem (FORM), o qual foi acoplado diretamente ao modelo em elementos finitos. As variáveis aleatórias, a função de estado limite e as configurações dos elementos avaliados foram determinados com base em estudos anteriores, buscando a consideração apenas dos parâmetros de maior relevância. Foi apresentada uma revisão histórica dos critérios de projeto de pilares esbeltos pelas normas NBR 6118, os quais sofreram diversas alterações ao longo do tempo. Através da combinação desses parâmetros foram definidas 945 configurações estruturais. Foram avaliados quatro cenários normativos, combinando o uso do fator de fragilidade e de coeficientes de ações calibrados por outros autores. A calibração de cada cenário consistiu na avaliação da condição atual, calibração do coeficiente adicional e avaliação após a calibração. Todos os cenários foram calibrados com o índice de confiabilidade alvo 3,80, com base nos elementos de maior confiabilidade do primeiro cenário. O processo de calibração foi baseado em otimização Bayesiana. A calibração resultou em índices de confiabilidade uniformes em relação à esbeltez. As expressões obtidas pela calibração reforçam a necessidade da revisão da NBR 6118, uma vez que essas apresentam diferenças significativas nos seus intervalos de aplicação. Em relação ao fator de fragilidade do concreto, os índices de confiabilidade obtidos indicaram que seu uso deve ser melhor avaliado no projeto de pilares, uma vez que os resultados apresentam maior uniformidade na sua ausência. O emprego dos coeficientes parciais de ações calibrados aumentou a uniformidade dos índices de confiabilidade em relação à razão de carregamentos, embora atenção seja necessária nos elementos de maior esbeltez.

Structural design codes must ensure that the designed elements achieve satisfactory safety levels without excessively increasing the project's cost. Therefore, this study aims to evaluate and calibrate the additional safety factor 𝛾𝑛1 adopted in the design of slender columns according to the Brazilian standard NBR 6118. The safety level currently achieved in design was evaluated, and it was shown to vary with the slenderness of the elements. Based on this, calibrated expressions were proposed to standardize the safety level. The study also assessed the effect of the concrete fragility factor, which was recently incorporated into the Brazilian standard. A numerical finite element model was implemented to simulate the columns and validated using experimental results from the literature. The reliability indices were determined through the First-Order Reliability Method (FORM), which was directly coupled to the finite element model. The random variables, the limit state function, and the configurations of the evaluated elements were determined based on conclusions from previous studies, focusing on including only the most relevant parameters. A historical review of code prescriptions for slender column design by NBR 6118 was presented, which have undergone several changes over time. Through the combination of these parameters, 945 structural configurations were defined. Four normative scenarios were assessed, combining the use of concrete fragility factor and load coefficients calibrated by other authors. The calibration of each scenario involved evaluating the current condition, calibrating the additional coefficient, and assessing the reliability of the scenario after calibration. All scenarios were calibrated with a target reliability index of 3.80, based on the elements with the highest reliability in the first scenario. The calibration process was based on Bayesian optimization. Calibration of all scenarios resulted in uniform reliability indices with respect to slenderness. The expressions derived from calibration highlight the need for a revision of NBR 6118, as they reveal significant differences in their application ranges. Regarding the concrete fragility factor, the achieved reliability indices indicated that its use requires further evaluation in column design, as the results are more uniform in its absence. Using calibrated partial load coefficients increased the uniformity of reliability indices with respect to the load ratios, although caution is required for elements with greater slenderness.