Análise numérica da redistribuição de esforços em pórticos metálicos submetidos ao fogo: modelagem simplificada baseada no edifício de Cardington

Introdução

O comportamento de estruturas metálicas em situação de incêndio é tema relevante na engenharia civil, uma vez que o aumento de temperatura reduz significativamente a resistência e a rigidez dos materiais estruturais. Ensaios em escala real, como os realizados em um edifício experimental no Reino Unido, contribuíram para a compreensão de fenômenos como a redistribuição de esforços e o desenvolvimento de caminhos alternativos de carga em estruturas aquecidas. A modelagem tridimensional completa dessas estruturas, no entanto, apresenta elevado custo computacional, o que motiva a investigação de modelos numéricos simplificados, baseados em pórticos bidimensionais, capazes de reproduzir tais fenômenos de forma satisfatória.

Objetivo

Desenvolver e validar modelos numéricos simplificados de pórticos metálicos submetidos ao fogo, avaliando a redistribuição dos esforços solicitantes ao longo da estrutura durante o aquecimento, considerando a influência das condições de contorno, da posição dos elementos aquecidos e dos carregamentos aplicados.

Método

A metodologia foi estruturada em quatro etapas. Inicialmente, realizou-se revisão bibliográfica sobre estruturas metálicas em incêndio. Em seguida, elaboraram-se pórticos genéricos em concreto para comparar resultados entre dois softwares distintos, avaliando também a influência do refinamento de malha e do tipo de elemento finito. Posteriormente, definiram-se geometrias representativas de um pórtico central e um pórtico periférico de uma estrutura metálica experimental, modelados com elementos de viga capazes de representar efeitos estruturais e térmicos. Por fim, aplicaram-se curvas de aquecimento experimentais e curvas padronizadas de incêndio em diferentes pilares e níveis, avaliando a evolução dos esforços solicitantes ao longo do tempo de exposição.

Resultados e discussão

A comparação entre os dois softwares nos pórticos genéricos indicou alta similaridade nos esforços e deslocamentos, com bom equilíbrio entre precisão e custo computacional para malhas com elementos quadráticos e discretização de 0,5 m. Na validação do pórtico central, os deslocamentos axiais apresentaram aproximação satisfatória com os resultados tridimensionais e experimentais, mas a força axial só convergiu adequadamente após o aumento da rigidez rotacional nas extremidades, corrigindo a divergência causada pela ausência de restrições nos demais eixos da análise bidimensional. Obteve-se resultado semelhante no pórtico periférico. Com os modelos validados, aplicou-se a curva de incêndio padronizada em diferentes pilares e níveis. Observou-se que quando o incêndio ocorre no mesmo pavimento avaliado, o esforço acompanha diretamente a curva de temperatura, reduzindo o momento em cerca de 78% no vão central da viga. Quando ocorre em pavimento distinto, o efeito se inverte, aliviando o momento a valores próximos de zero ou gerando acréscimo na extremidade da viga, conforme a posição entre o elemento aquecido e o pavimento analisado. A força normal no topo dos pilares aquecidos também diminuiu, com perdas de resistência entre 60% e 80%.

Conclusão

Conclui-se que incêndios em níveis inferiores sobrecarregam os pavimentos superiores, enquanto incêndios em níveis superiores tendem a aliviar os esforços nos pavimentos inferiores, evidenciando que a redistribuição depende diretamente da posição relativa entre o elemento aquecido e o esforço avaliado. Assim, a modelagem numérica bidimensional simplificada mostrou-se uma ferramenta eficiente e viável para representar o comportamento de estruturas metálicas em situação de incêndio.

Palavras-chave

• Incêndio
• Estruturas metálicas
• Método dos elementos finitos
• Redistribuição de esforços
• Modelagem simplificada