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DISSERTAÇÃO Thiago da Cruz Sessa
Tipologia: Notas de estudo
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Thiago da Cruz Sessa
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientadores: Lidia da Conceição Domingues Shehata Ibrahim Abd El Malik Shehata
Rio de Janeiro Junho de 2017
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A Deus pelo dom da vida, por me dar forças para enfrentar as dificuldades e superar os desafios ao longo dessa jornada.
À minha orientadora Lidia Shehata, pela dedicação, confiança, paciência e suporte em cada fase deste trabalho.
Aos professores do PEC pelos ensinamentos transmitidos, em especial ao professor Ibrahim Shehata pelas excelentes aulas ministradas.
Aos meus pais, Claudio e Lourdes, pelo amor incondicional, apoio irrestrito e terem me dado toda a estrutura para me tornar a pessoa que sou hoje.
Ao meu irmão Bruno, pela convivência e amizade durante todo o tempo. À minha noiva Tayane pelo amor, incentivo, cumplicidade e compreensão no período em que estive ausente.
Ao restante dos familiares pelo suporte afetivo.
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Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências em (M.Sc.)
Thiago da Cruz Sessa
Junho/
Orientadores: Lidia da Conceição Domingues Shehata
Ibrahim Abd El Malik Shehata
Programa: Engenharia Civil
Já nos anos 70 verificou-se que o colapso progressivo em edifícios prontos é de ocorrência rara e que havia crescimento significativo dos casos de edifícios em construção que sofriam propagação horizontal e/ou vertical de falhas a partir de um dano inicial, causando muitas vezes perdas de vidas. A história das construções mostra que a maioria das ruínas em estruturas de concreto ocorreu quando elas estavam ainda em construção. Isto traz à tona a necessidade de pesquisas e recomendações que visem minimizar o risco do colapso progressivo não só das estruturas já existentes, mas também das ainda em construção.
Este trabalho resume recomendações de projeto que visam evitar colapso progressivo e reúne casos de edificações de concreto armado que tiveram colapso total ou parcial quando ainda em execução ou, quando já completas, ainda sem estarem em serviço, casos menos enfocados na literatura. Esta coleta de casos objetiva identificar as causas mais comuns dos colapsos ocorridos e apontar providências que possam vir a evitá-los.
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Figura 1.1 – Edifício Ronan Point após colapso parcial (CANISIUS, 2011)................... 1
Figura 1.2 – Resumo a respeito da probabilidade de ocorrência do colapso progressivo (adaptado de KOKOT e SOLOMOS, 2012) .................................................................. 5
Figura 2.1 – Evolução do colapso progressivo tipo panqueca: a) perda de resistência do pilar; b) transformação da energia potencial em energia cinética; c) excesso de carga nos elementos da estrutura abaixo daquele onde houve falha inicial; d) propagação do colapso (KOZLOVA, 2013) ................................................................... 8
Figura 2.2 – Exemplo de colapso do tipo panqueca (STAROSSEK, 2009) ................... 9
Figura 2.3 – Evolução do colapso progressivo tipo dominó: a) falha inicial e redistribuição de carga para o elemento adjacente; b) tombamento dos pilares; c) colapso progressivo na direção horizontal (KOZLOVA, 2013) .................................... 10
Figura 2.4 – Exemplo de colapso do tipo dominó (STAROSSEK, 2009) ..................... 10
Figura 2.5 – Evolução do colapso progressivo tipo zíper: a) perda de resistência do pilar; b) aumento de carga nos elementos adjacentes; c) excesso de carga nos pilares adjacentes ocasionando o colapso progressivo (KOZLOVA, 2013) ............................ 11
Figura 2.6 – Exemplo de colapso do tipo zíper (STAROSSEK, 2009)......................... 12
Figura 2.7 – Evolução do colapso progressivo tipo instabilidade: a) estrutura original com sistema de contraventamento; b) falha inicial no contraventamento; c) perda de estabilidade da estrutura; d) colapso (KOZLOVA, 2013)............................................. 13
Figura 3.1 – Diferentes tipos de amarrações que proveem integridade estrutural em estruturas aporticadas (adaptado de DOD, 2016) ....................................................... 16
Figura 3.2 – Formas de remoção dos pilares no MCAC – Adaptado de (GSA, 2013). 19
Figura 4.1 – Posições dos tirantes de amarração periféricos e internos no caso de haver sub-áreas com cargas diferentes no mesmo piso (adaptado de DOD, 2016) .... 27
Figura 4.2 – Restrições para localização das amarrações internas e periféricas ........ 28
Figura 4.3 – Locais de interrupção e disposição dos tirantes (adaptado de DOD, 2016) .............................................................................................................. 28
Figura 4.4 – Locais de remoção dos pilares externos (adaptado de GSA, 2013) ........ 29
Figura 4.5 – Locais de remoção dos pilares internos (adaptado de GSA, 2013) ......... 30
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Figura 4.6 – Locais de remoção das paredes estruturais externas (adaptado de GSA,
Figura 4.7 – Locais de remoção das paredes estruturais internas (adaptado de GSA,
Figura 4.8 – Localização das cargas a considerar quando da remoção de elementos e análise linear estática - elemento externo à esquerda e interno à direita (adaptado de GSA, 2013) ................................................................................................................. 33
Figura 4.9 – Áreas de colapso aceitáveis para não consideração de colapso progressivo (adaptado de GSA, 2013) ........................................................................ 34
Figura 4.10 – Estratégias para situações de projeto com ações excepcionais (adaptado de EM 1991-1-7:2006, item 3.1) ................................................................................. 37
Figura 4.11 – Esquemas de armadura para prevenção do colapso progressivo: a) barras retas; b) barras dobradas; c) disposição das armaduras em planta (adaptado de FIB, 2013) ................................................................................................................... 40
Figura 4.12 – Armadura contra colapso progressivo (ABNT NBR 6118, 2014) ........... 42
Figura 4.13 – Definição do contorno C’ para pilares internos (ABNT NBR 6118,
Figura 4.14 – Definição do contorno C’’ considerando duas disposições de armadura de punção (ABNT NBR 6118, 2014) ........................................................................... 43
Figura 4.15 – Detalhamento da armadura contra colapso progressivo em lajes sem vigas (ABNT NBR 6118, 2014) ................................................................................... 44
Figura 4.16 – Disposição das armaduras contra colapso progressivo nas lajes de concreto armado apoiadas em pilares (ACI 318-14) ................................................... 45
Figura 5.1 – Edifício São Luiz Rei inclinado antes e depois do desabamento (DECOURT, 2008) ...................................................................................................... 48
Figura 5.2 – Planta de fundação do Edifício São Luiz Rei (VELLOSO, NAEGELI e VIDEIRA, 1998) .......................................................................................................... 49
Figura 5.3 – Etapas de execução de uma estaca Simplex (VELLOSO, NAEGELI e VIDEIRA, 1998) .......................................................................................................... 49
Figura 5.4 – Edifício Comurba antes do colapso (TOMAZELA, 2014)......................... 51
Figura 5.5 – Vista parcial do Edifício Comurba após o colapso (VASCONCELOS,
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Figura 5.23 – Parte da estrutura do residencial Esmeralda remanescente (PORTAL TERRA, 2011) ............................................................................................................ 68
Figura 5.24 – Vista do edifício em Novo Hamburgo após colapso de parte da laje superior (JORNAL NH, 2015) .................................................................................... 69
Figura 5.25 – Vista do New York Coliseum após construído em 1956 (SCHWAB, PINKETT, et al. , 2010) ................................................................................................ 70
Figura 5.26 – Exemplo de buggy (disponível em http://www.everything-about- concrete.com/concrete-buggy.html) ............................................................................ 70
Figura 5.27 – Colapso do prédio em Boston (KING e DELATTE, 2004)...................... 72
Figura 5.28 – Planta da laje de cobertura do edifício em Boston (KING e DELATTE,
Figura 5.29 – Extensão do colapso do edifício em Boston (KING e DELATTE, 2004) 74
Figura 5.30 – Edifício A-4 após o colapso (SCHELLHAMMER, DELATTE e BOSELA,
Figura 5.31 – Plano de concretagem do edifício A-4 (PERKINS, 2009) ...................... 76
Figura 5.32 – Vista aérea do Harbour Cay Condominium antes do colapso (KUKORLO,
Figura 5.33 – Harbour Cay Condominium após o colapso progressivo (KUKORLO,
Figura 5.34 – L’Ambiance Plaza durante a fase de construção (McNAMARA e PARFITT, 2010).......................................................................................................... 81
Figura 5.35 – L’Ambiance Plaza após o colapso (McNAMARA e PARFITT, 2010) ..... 82
Figura 5.36 – Colapso parcial do Pipers Row Car Park (WOOD, 2003) ...................... 83
Figura 5.37 – Pilar e parte da laje intactos após o colapso do Pipers Row Car Park (WOOD, 2003) ............................................................................................................ 84
Figura 5.38 – Planta da quarta laje do Pipers Row Car Park com indicação das áreas reparadas (WOOD, 2003) ........................................................................................... 84
Figura 5.39 – Vista geral do colapso da parte oeste do estacionamento do Tropicana Casino Resort (ENGEL, JULIUS, et al. , 2010) ............................................................ 85
Figura 5.40 – Quatro pilares e uma parede permaneceram em pé após o colapso do edifício-garagem do Tropicana Casino Resort (OSHA, 2004) ..................................... 86
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Figura 5.41 – Prédio tombado em Xangai (JI, 2010) ................................................... 88
Figura 5.42 – Causas que contribuíram para o colapso da estrutura do edifício em Xangai (KHUDEIRA, 2010) ......................................................................................... 88
Figura 5.43 – Vista aérea do colapso da parte norte do UHS West Parking Garage (JIANG, 2012) ............................................................................................................. 89
Figura 5.44 – Desenvolvimento da construção do setor norte do UHS West Parking Garage até o dia do colapso, baseado em imagens de satélite e relatórios de investigação (JIANG, 2012) ........................................................................................ 90
Figura 5.45 – Típica conexão pilar moldado in loco – pilar pré-moldado com a existência de graute logo abaixo da placa de base (adaptado de JIANG, 2012) ......... 90
Figura 5.46 – Vista área de parte do edifício-garagem colapsado na Florida (OSHA,
Figura 5.47 – Planta do edifício-garagem na Florida (OSHA, 2013)............................ 92
Figura 5.48 – Vigas tipo “double tee” no chão depois do desabamento do edifício- garagem na Florida (OSHA, 2013).............................................................................. 93
Figura 6.1 – Principais ações de construção em um edifício de três pavimentos (NAPOLEÃO FILHO, 1998) ........................................................................................ 98
Figura 6.2 – Processo construtivo com um sistema temporário de apoio (2 + 1) (FREITAS, 2004) ........................................................................................................ 99
Figura 6.3 – Causas de colapso de estruturas inacabadas relacionadas às ações de construção e falhas no sistema de escoramento: a) recalques na fundação temporária de escoras; b) desalinhamento vertical das escoras; c) cargas de impacto ocasionadas pelo lançamento do concreto e por equipamentos; d) ação horizontal de vento em edifícios sem contraventamento necesssário (NAPOLEÃO FILHO, 1998) ................ 100
Figura 6.4 – Exemplo de falha por punção de laje lisa (RUSSEL, 2015) ................... 103
Figura 6.5 – Aspecto pós-ruptura por punção de região com pilar interno (EGBERTS,
Figura 6.6 – Aspecto pós-ruptura por punção de região de pilar interno, mostrando a armadura de integridade e o “tronco de pirâmide de punção” (HABIBI, 2012) .......... 104
Figura 6.7 – Aspecto pós-ruptura por punção de região de pilar de canto (ZHANG,
O colapso parcial do edifício Ronan Point na Inglaterra (Figura 1.1), em 1968, causado por uma explosão de gás na cozinha de um apartamento, deu origem às primeiras prescrições de projeto relacionadas com colapso progressivo de edificações. Desde essa época vêem sendo realizados estudos sobre esse assunto, que suscitou particular interesse a partir dos atentados ao A.P. Murrah Federal Building em 1995 e às torres gêmeas do World Trade Center em setembro de 2001, nos EUA (CANISIUS, 2011, KOKOT e SOLOMOS, 2012).
Figura 1.1 – Edifício Ronan Point após colapso parcial (CANISIUS, 2011)
Em geral, as publicações sobre falhas estruturais enfocam apenas, ou principalmente, as estruturas já em serviço, sem dar a devida importância àquelas em fase de construção. Segundo CANISIUS (2011), há razões éticas, legais e econômicas para que existam também investigações e medidas preventivas com relação à fase de execução das estruturas, primeiramente pelo motivo dos projetistas terem que prezar
pela proteção dos trabalhadores da construção civil e também porque um colapso traria um impacto econômico negativo para qualquer projeto.
Além disso, BREEN (1975) verificou que o colapso progressivo em edifícios prontos era de ocorrência rara e que havia crescimento significativo dos casos de edifícios em construção com propagação horizontal e/ou vertical de falhas a partir de um dano inicial, ocasionando muitas vezes várias mortes. De acordo com CARPER (2004), a história das construções tem mostrado que a maioria das ruínas em estruturas de concreto ocorreu quando elas estavam ainda em construção. Isto traz à tona a necessidade de pesquisas e recomendações que visem minimizar o risco deste tipo de colapso.
Vulnerabilidades localizadas decorrentes de falhas no projeto, na construção, e na manutenção, e ações maiores que as previstas, têm levado a colapso de edifícios prontos. Segundo BYFIELD, KASIM, et al. (2014), ruptura por punção em lajes apoiadas em pilares é o caso mais comum em edifícios com estruturas de concreto armado. O colapso pode decorrer também de ações excepcionais como, por exemplo, explosão causada por gás e bombas, colisão de automóveis e aviões, incêndios e ações ambientais extremas. São solicitações difíceis de prever em projeto e de consideração economicamente inviável em edificações usuais, tomando-se, em geral, apenas medidas para minimizar os efeitos dessas ações excepcionais. Erros de projeto resultantes de posteriores modificações no projeto original também têm ocasionado colapsos.
As estruturas ainda em construção podem ser afetadas por erros de projeto e de construção, além de ações variáveis temporárias excessivas não previstas nos projetos.
Outros fatores podem levar a situações desfavoráveis nas estruturas em construção, como indica BREEN (1975):
Segundo ASCE/SEI 7 (2010), o colapso progressivo é definido como a propagação de um dano local, a partir do evento inicial, de um elemento a outro, resultando, eventualmente, no colapso de toda ou uma parte da estrutura desproporcional em relação à causa inicial. O colapso desproporcional, como também é conhecido, ocorre devido à sequência de falhas nos elementos estruturais próximos ao local de origem do primeiro dano, já que tais elementos não foram projetados para resistir às novas solicitações impostas.
O conceito de desproporcionalidade pode ser subjetivo, havendo algumas tentativas de quantificá-la. O General Services Administration - GSA (2013) considera que o colapso progressivo envolve não somente os elementos estruturais diretamente ligados ao elemento inutilizado, se estendendo por mais de um vão. Já o NISTIR 7396 (2007) do National Institute of Standards and Technology - NIST e a norma EN 1991- 1-7:2006 consideram que um colapso é progressivo quando, na propagação horizontal, mais de 15% da área total do piso (ou teto) ou mais de 100 m² são atingidos; e, na propagação vertical, mais de dois andares.
Os projetos estruturais consideram as ações de cargas permanentes e variáveis em diversas combinações e com coeficientes de segurança parciais, fazendo com que, de certa forma, as estruturas ofereçam determinado nível de resistência ao colapso progressivo. Mesmo com uma probabilidade reduzida dessa forma de colapso acontecer, seu estudo e abordagem em normas são justificados pelo número de vidas humanas que podem ser perdidas no caso dele ocorrer, além das implicações sociais, econômicas e ambientais.
De acordo com KOKOT e SOLOMOS (2012), a avaliação para a probabilidade do colapso progressivo pode ser avaliada pela equação 1.1.
|DH |H (1.1)
Onde:
= Probabilidade do colapso progressivo = Probabilidade de ocorrência de um perigo H |H) = Probabilidade de um dano local D como consequência de um perigo H (|DH) = Probabilidade de um colapso progressivo C da estrutura como resultado de dano local D causado por um perigo H
A probabilidade do colapso progressivo pode ser minimizada de três maneiras: controlando os eventos anormais, verificando o comportamento local dos elementos estruturais ou controlando o comportamento global do sistema. Sabe-se, porém, que é difícil prever a ocorrência de um evento extraordinário, de modo que os projetistas podem influenciar apenas no comportamento local [( |H)] e global [(| H)] da estrutura. O contexto da probabilidade do colapso progressivo é resumido pela Figura 1.2.
Figura 1.2 – Resumo a respeito da probabilidade de ocorrência do colapso progressivo (adaptado de KOKOT e SOLOMOS, 2012)
Diante do cenário exposto, este trabalho objetiva fazer um resumo do estado atual do conhecimento sobre colapso progressivo e reunir casos de edificações de concreto armado que tiveram colapso parcial ou total quando ainda em execução ou quando já completas, mas ainda sem estarem sendo utilizadas. Esta coleta de informações visa identificar as causas mais comuns dos colapsos ocorridos ao longo do tempo em diferentes países e propor providências com o intuito de evitá-los.
