Estudo do comportamento de um edifício em aço sob efeito de colapso progressivo

Orientador: Prof. Roberto Dalledone Machado, D.Eng., M.Sc.Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Defesa : Curitiba, 19/09/2023Inclui referênciasResumo: O colapso progressivo é um fenômeno complexo e catastrófico que pode ocorrer em estruturas de engenharia, especialmente em edifícios e pontes, quando submetidas a carregamentos extremos ou eventos excepcionais, como terremotos, explosões ou colisões. Nesse contexto, o estudo do colapso progressivo tornou-se uma preocupação crescente na engenharia civil, uma vez que entender e prever esse tipo de comportamento é essencial para garantir a segurança e a resiliência das estruturas contra falhas e colapsos inesperados. Um dos métodos amplamente utilizados para analisar o colapso progressivo é a abordagem da Demand-Capacity Ratio DCR, que consiste em avaliar a capacidade de suporte das estruturas em relação às demandas impostas pelos carregamentos extremos. A DCR é calculada dividindo a demanda do carregamento crítico pela capacidade de resistência da estrutura. Se a DCR superarem os valores estabelecidos por norma, indica que a estrutura não é capaz de suportar as demandas, o que representa uma situação de risco de colapso progressivo. Neste estudo, foi analisado o colapso progressivo em uma estrutura metálica de múltiplos pavimentos, e o foco principal recaiu na remoção seletiva de pilares, simulando diferentes cenários de falha. A metodologia seguiu os padrões estabelecidos por diversos trabalhos científicos, e foram realizadas análises estáticas lineares e não lineares, bem como análises dinâmicas não lineares. Os resultados obtidos mostraram que a estrutura apresenta diferentes comportamentos em relação à remoção de pilares, dependendo da localização do pilar removido. Em alguns cenários, as DCRs ficaram próximas ou ultrapassaram os valores de segurança estabelecidos pelas normas, indicando que a estrutura está operando próximo ou além de sua capacidade de resistência. Para a remoção de pilares nas extremidades da estrutura, os deslocamentos se comportaram de forma quase linear até alcançar a estabilidade no eixo Z, tanto nas análises estáticas não lineares quanto nas dinâmicas não lineares. No entanto, quando o pilar central foi removido, a estrutura apresentou comportamento não linear, com deslocamentos aumentando rapidamente e dificuldades para atingir uma nova posição de estabilidade. As análises também revelaram que a capacidade das estruturas metálicas pode ser subestimada pelas normas estabelecidas para estruturas genéricas, uma vez que as características específicas do material e do projeto podem influenciar significativamente o comportamento de colapso progressivo. Com base nos resultados obtidos, conclui-se que é fundamental considerar o colapso progressivo como um aspecto relevante no projeto e na análise de estruturas de engenharia. Além disso, são necessárias pesquisas adicionais para aprimorar as metodologias de avaliação e a compreensão do comportamento estrutural em situações críticas. O conhecimento adquirido nesse estudo contribui para aprimorar as práticas de projeto e construção, visando à segurança e resiliência das estruturas diante de eventos extremos e imprevistosAbstract: Progressive collapse is a complex and catastrophic phenomenon that can occur in engineering structures, especially in buildings and bridges, when subjected to extreme loads or exceptional events such as earthquakes, explosions or collisions. In this context, the study of progressive collapse has become a growing concern in civil engineering, once understanding and predicting this type of behavior is essential to ensure the safety and the resilience of structures against failures and unexpected collapses. One of the methods widely used to analyze progressive collapse is the Demand-Capacity Ratio approach (DCR), which consists of evaluating the support capacity of the structures in relation to the demands imposed by extreme loads. The DCR is calculated by dividing the critical load demand by the bearing capacity of the structure. If the DCR is greater than 2, it indicates that the structure is not able to withstand the demands, which represents a risk of progressive collapse. In this study, the progressive collapse of a multi-story steel structure was analyzed, and the main focus was on the selective removal of columns, simulating different failure scenarios. The methodology followed the standards established by many scientific papers in the area, and static linear and non-linear analyzes were performed, as well as dynamic non-linear analyzes. The obtained results showed that the structure presents different behaviors in relation to the removal of columns, depending on the location of the removed column. In some scenarios, the DCRs were close to or exceeded the safety values established by the standards, indicating that the structure is operating close to or beyond its resistance capacity. For the removal of columns at the boundary of the structure, the displacements behaved almost linearly until stability was reached, both in the nonlinear static and nonlinear dynamic analyzes. However, when the central column was removed, the structure showed high dynamic behavior, with displacements increasing rapidly and difficulties in reaching a new stability position. The analyzes also revealed that the capacity of steel structures can be underestimated by the norms established for generic structures, since the specific characteristics of the material and the project can significantly influence the behavior of progressive collapse. Based on the results obtained, it is concluded that it is essential to consider progressive collapse as a relevant aspect in the design and analysis of engineering structures. Furthermore, additional research is needed to improve assessment methodologies and understanding of structural behavior in critical situations. The knowledge acquired in this study contributes to improving design and construction practices, aiming at the safety and resilience of structures in the face of extreme and unforeseen event