Pilares Mistos de Aço e Concreto com Duplo-tubo, Arquitetura e Construção na Segurança ao Fogo

Abstract

A utilização de pilares mistos formados por perfis tubulares de aço preenchidos com concreto vem crescendo muito recentemente. Isso se deve às vantagens apresentadas por esse tipo de pilar, entre elas, dispensar o uso de fôrmas, apresentar uma maior força axial resistente e possibilitar o uso de seções transversais menores. No entanto, o uso de pilares esbeltos em construções cada vez mais altas faz necessária a busca de soluções que possam garantir que esses pilares também apresentem a capacidade resistente requerida em situação de incêndio. Nesse sentido, com o presente trabalho procura-se compreender o comportamento de pilares mistos de duplo-tubo em temperaturas elevadas. Esses pilares são compostos por dois tubos de aço, um externo e outro interno, tendo este último aproximadamente metade do diâmetro do primeiro; nos pilares mistos de duplo-tubo com preenchimento parcial, apenas o espaço entre os tubos é preenchido com concreto, enquanto nos pilares mistos de duplo-tubo com preenchimento total a seção é completamente preenchida por concreto. A primeira parte do trabalho consiste em uma revisão dos quesitos arquitetura, estrutura e incêndio, complementada por uma revisão do estado da arte em pilares mistos formados por perfis tubulares de aço preenchidos com concreto em temperaturas elevadas. Em seguida são apresentados os resultados de 10 ensaios em temperaturas elevadas, no Laboratório de Ensaio de Materiais e Estruturas da Universidade de Coimbra, em Portugal, com pilares mistos de duplo-tubo parcialmente e completamente preenchidos com concreto. Nesses ensaios verificou-se a influência da rigidez da estrutura envolvente, do tipo de concreto de preenchimento e do nível de carregamento aplicado no comportamento dos pilares em temperaturas elevadas. Após a análise dos resultados, expressos em função das temperaturas, forças de restrição, deslocamentos e tempo crítico, comparou-se a capacidade resistente em situação de incêndio obtida nos ensaios com a encontrada através das normas e nas publicações de outros autores para pilares similares. Entre os parâmetros analisados, verificou-se que o nível de carregamento foi o que mais influenciou na capacidade resistente dos pilares de duplo-tubo em temperaturas elevadas e que, atualmente, nem as normas, nem as adaptações sugeridas por outros autores são capazes de avaliar corretamente a sua capacidade resistente em temperaturas elevadas. Por fim, foram discutidas as disposições construtivas para pilares mistos de duplo-tubo, tipos de material possíveis de serem utilizados, questões de construção e durabilidade, e sistemas de proteção contra fogo, para se avaliar os processos construtivos mais eficientes e as soluções arquitetônicas mais adequadas utilizando esses pilares.

The use of composite concrete filled steel tubular columns has been growing recently. This is due to several advantages presented by this type of columns, among them, dispense of formwork, higher load-bearing capacity and the possibility of smaller cross sections. Although these columns have an enhanced fire behavior, the use of slender columns, mainly in tall buildings, makes necessary to find new construction solutions that increases their fire resistance. In this sense, the present work seeks to understand the behavior of composite concrete filled steel double-skin and double-tube columns subjected to fire. These columns are formed using two steel tubes, one external and one internal; the latter has approximately half the diameter of the outer tube, in the composite double-skin columns only the interlayer between the steel tubes is filled with concrete, while in the double-tube columns the section is completely filled with concrete. The first part of this work consists in a review about the relation between architecture, structure and fire, complemented by the state of the art in the behavior of composite concrete filled steel tubular columns under high temperatures. Then, it is presented the results of ten fire resistance tests carried out at the Materials and Structures Testing Laboratory of Coimbrathe University, Portugal, with concrete filled steel double-skin and double-tube columns at elevated temperatures. In these tests was verified the influence of the stiffness of the surrounding structure, the type of concrete filling and the applied load level, in the behavior of these columns at elevated temperatures. After the analysis of the results, expressed as a function of the temperatures, restraining forces, displacements and critical time, the fire resistance obtained in tests was compared with the one defined by the codes and by other authors for similar columns. It was found that the load level was the parameter that most influenced the resistant of double-tube columns at elevated temperatures and that, currently, neither the standards nor the adaptations suggested by other authors, are able to evaluate its resistant at high temperatures. Finally, it is discussed the construction trends for concrete filled steel double-skin and double-tube columns, possible types of materials, construction and durability issues, and protection systems to evaluate the most efficient construction processes and good architectural solutions for using these columns.