Colapso Progressivo do Edifícios

New York, UNITED STATES: TO GO WITH AFP STORY "Americans mark 9/11 anniversary with new questions on vulnerability" - (FILES) The rubble of the World Trade Center smoulders following a terrorist attack 11 September 2001 in New York. Americans mark the fourth anniversary of the September 11, 2001 terror attacks Sunday nagged by new burning questions about their readiness to confront a major disaster after the debacle of Hurricane Katrina. AFP PHOTO/Alex Fuchs (Photo credit should read ALEX FUCHS/AFP/Getty Images)

Colapso Progressivo dos edifícios

 Introdução 

As nossas normas referem-se ao fenômeno “colapso progressivo” dos edifícios de forma sumária, enigmática e instigante. De fato, a NBR 6118, na subseção 19.5.4, intitulada Colapso progressivo, recomenda armações nas lajes lisas, sobre os pilares, necessárias “para garantir a dutilidade local e a conseqüente proteção contra o colapso progressivo”. Já a NBR 9062 (estruturas pré-moldadas), aconselha, no item 5.1.1.4, que “devem ser tomados cuidados especiais na organização geral da estrutura e nos detalhes construtivos, de forma a minimizar a possibilidade de colapso progressivo.”
Essas são as únicas menções, nessas duas importantes normas, ao “colapso progressivo”, sem esclarecimentos do que seja exatamente esse fenômeno, qual sua importância, sua ocorrência e características, talvez porque os mesmos não caibam em textos de normas, mas sim em Comentários complementares, todavia inexistentes. A NBR 6118 não torna claro ao leitor como “a dutilidade local” protege a laje contra colapso progressivo, talvez por supor conhecida essa relação entre dutilidade e colapso progressivo. A NBR 9062, por sua vez, nada informa sobre quais são os “cuidados especiais” a que se refere e que devem ser tomados na “organização geral da estrutura” e nos “detalhes construtivos” com vistas ao colapso progressivo.
Esse cenário nebuloso dos textos normativos faz pensar na conveniência de levantar um pouco a cortina da informação para enxergar-se melhor o problema em seu contexto e nos aproximarmos, através de conhecimento sistemático do projeto de estruturas de edifícios contra colapso progressivo. O Prof. Augusto Carlos de Vasconcelos apresentou, recentemente, palestras e texto publicado no TQS News, fevereiro 2010, intitulados Robustez (das estruturas). A Robustez seria aquele atributo das estruturas que contribui para sua segurança contra o colapso progressivo.
O colapso parcial de um edifício de apartamentos em Ronan Point, Londres, em maio de 1968, despertou a atenção do meio técnico para o fenômeno do colapso progressivo, e esse interesse tem crescido exponencialmente, nos últimos anos. Predomina, atualmente, o convencimento da necessidade de normas e procedimentos específicos de projeto para prevenção do colapso progressivo nas edificações, vez que as concepções e análises estruturais exigidas diferem substancialmente das usuais da prática de projeto.
O propósito desse documento é o de oferecer uma breve introdução ao projeto das edificações contra colapso progressivo, ao tentar responder com clareza às seguintes perguntas:

1. O que é o colapso progressivo? Sua definição; caracterização; causas; casos.
2. Como projetar estruturas de edifícios para prevenir colapsos progressivos? Fundamentos. Métodos diretos e indiretos. Regras práticas.

A referência básica desse texto é o documento: NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY, U.S. – Best Practices for Reducing the Potential for Progressive Collapse in Buildings. NISTIR 7396. February 2007, 216 p.
 O que é colapso progressivo ?

O termo “colapso progressivo” é usado para identificar a propagação de uma ruptura inicial, localizada, de modo semelhante a uma reação em cadeia que conduz à ruptura parcial ou total de um edifício. A característica básica do colapso progressivo é a de que o estado final da ruptura é desproporcionalmente maior do que a ruptura que deu início ao colapso. Portanto, o “colapso progressivo” é um tipo de ruptura incremental, no qual o dano total é desproporcional à causa inicial. Em alguns países, esse tipo de ruptura é identificado por “colapso desproporcional”.
Os americanos propõem a seguinte definição, a ser oficializada nas normas:
“colapso progressivo – a propagação de um dano localizado de elemento a elemento estrutural, resultando, eventualmente, no colapso de toda uma estrutura ou, desproporcionalmente, de grande parte dela; também conhecido como colapso desproporcional”
“O conceito de colapso progressivo pode ser ilustrado pelo famoso colapso de 1968, do edifício de apartamentos Ronan Point . A estrutura de 22 andares era constituída de painéis portantes, pré-moldados. Uma explosão de gás na cozinha, localizada na esquina do 18° pavimento, expeliu o painel portante da fachada e, com isso, o colapso da laje sem apoio da cozinha do andar acima se propagou para cima, até a laje de cobertura, e para baixo, até o térreo. Embora o colapso não tenha atingido o edifício todo, a extensão dos danos foi desproporcional ao dano inicial” (expulsão do painel portante de fachada do 18° andar).


O colapso Ronan Point e outros exemplos de colapso progressivo serão relatados mais adiante, na seção Casos.
Os colapsos dos elementos estruturais tendem de um modo geral, a propagar- se aos seus elementos vizinhos. Realmente, a ruptura de um pilar tende a levar consigo as vigas e as lajes a ele associadas e assim por diante, quando a ruptura inicial é em uma viga ou em uma laje. A caracterização do colapso progressivo como “desproporcional” admite, implicitamente, a existência de colapsos apenas localizados, em que essa propagação é proporcional ao evento inicial.
Essa constatação conduz a uma dificuldade na identificação de um colapso progressivo, qual seja: já que, de certo modo todo colapso tem um caráter progressivo, proporcional ou desproporcional, como distinguir os limites entre um colapso local, aceito como proporcional, de um colapso progressivo, que se propaga desproporcionalmente à sua causa de origem? Por outro lado, isso evidencia que não basta definir a natureza do fenômeno colapso progressivo, pois é necessário que essa definição esteja associada à caracterização clara de sua desproporcionalidade. A partir de que condições e circunstâncias o projetista deve considerar um colapso potencial como progressivo, para efeito de medidas preventivas específicas de projeto? Esses aspectos serão objeto da seção seguinte: Caracterização do Colapso Progressivo.
Caracterização do colapso progressivo 


Um colapso progressivo implica em uma reação em cadeia de rupturas progressivas que se propagam para configurar um extenso colapso parcial ou total de um edifício, desproporcional ao dano localizado inicial. A noção de “desproporcionalidade” é fundamental e comum a todas as definições de colapso progressivo, mas é ambígua porque nem toda propagação de rupturas chega a desenvolver um extenso colapso, que possa ser identificado como “colapso progressivo”.
Com base em alguns documentos normativos, entre eles a norma inglesa (BS 5950-1:2000) e no próprio NISTIR 7396, considera-se que um colapso será considerado como progressivo se a desproporcionalidade atingir, na propagação horizontal, mais de 15% da área total do piso (ou forro) ou mais de 100 m²; e, na propagação vertical, atingir mais de dois andares.
“Historicamente, apenas em pequeno número de casos o colapso progressivo chegou a provocar o colapso total do edifício. Há, no entanto numerosos casos de colapso progressivo de edifícios em construção . As causas dessas rupturas durante a construção têm sido identificadas como devidas a (a) resistência insuficiente do concreto; (b) sobrecargas de construção e (c) técnicas inadequadas de construção. Os dados disponíveis sugerem que os edifícios em construção têm maior probabilidade de colapso do que os mesmos edifícios em fase de uso, e que os colapsos na construção não têm início pelas mesmas condições que causam rupturas no edifício em serviço.”





A figura acima ilustra um colapso progressivo de um edifício em construção. Trata-se do edifício residencial Skyline Plaza, após o colapso progressivo ocorrido em 1973, durante a construção do 24° pavimento. O colapso propagou-se verticalmente por toda a altura da torre e, horizontalmente, por todo o anexo de garagem ainda em construção. A estrutura era em lajes lisas e a ruptura inicial teve lugar em uma ruptura da laje por punção, no 23° pavimento, devida à remoção prematura do escoramento. 14 operários perderam a vida e 34 ficaram feridos.
Causas do colapso progressivo 

Os colapsos progressivos de edifícios em uso ocorrem por diferentes causas, que incluem:

• erros de projeto ou de construção;
• ações variáveis abusivas, que extrapolam as envoltórias de ações e combinações consideradas, ou que não foram explicitamente adotadas em projeto;
• ações excepcionais, tais como explosão de gás, explosão de bombas, colisão de veículos, colisão de aviões, ações ambientais extremas (tornados, por ex.), capazes de solicitar a estrutura além da envoltória de ações considerada em projeto.

Os incêndios, antes da normalização específica (NBR 15200:2004), incluíam-se entre as ações excepcionais. Atualmente, a prevenção de colapsos progressivos em edifícios provocados por grandes incêndios é um dos objetos dessa nova norma, com o que ficam excluídos os incêndios dessa discussão.
Os erros de projeto e de construção são os responsáveis pela maioria dos danos e colapsos nos edifícios usuais, e não a variabilidade das ações e das resistências, como se poderia supor. Esses erros ocorrem mesmo quando os profissionais envolvidos são bem qualificados e são utilizados métodos aprovados de garantia e controle de qualidade. Tais erros decorrem de nossa imperfeição humana, são difíceis de quantificar e não estão incluídos nos coeficientes parciais de segurança de nossas normas. A sua prevenção é mais eficiente, quando os engenheiros reconhecem sua falibilidade, através da antevisão de possíveis cenários de danos, e através do aperfeiçoamento dos controles e gestão de qualidade. Essa postura criticamente direcionada para o desempenho da estrutura é essencial na prevenção dos colapsos progressivos.
Os danos gerados por utilização abusiva da construção sob carregamentos acima dos originalmente previstos incluem-se na mesma categoria dos danos devidos a erros de projeto/execução. Não há informação que permita avaliar estatisticamente a incidência e intensidade dessa causa.
Sobre as ações excepcionais, acima identificadas, existem dados que permitem informações estatísticas sobre intensidade e incidência anual das mesmas, disponíveis na referência citada na introdução (NISTIR 7396). A discussão detalhada dessas ações extrapola o objetivo e âmbito desse texto, direcionado às estratégias capazes de prevenir colapsos progressivos nos edifícios para um espectro amplo de ameaças, tanto excepcionais como de erros humanos.
Um aspecto importante, associado às causas, é a identificação do grau de sensibilidade ou de vulnerabilidade dos edifícios ao colapso progressivo, que se desenvolve a partir de um colapso localizado. “A estimativa é que aproximadamente 15 a 20% dos colapsos em edifícios desenvolvem- se desse modo. Certos atributos podem tornar um edifício particularmente vulnerável ao colapso progressivo.”
“O fator mais importante para essa vulnerabilidade estrutural é a ausência ou deficiência de continuidade no sistema estrutural e a deficiente dutilidade dos materiais, elementos e ligações estruturais. Tais sistemas carecem de robustez, sendo pouco aptos a absorver ou a dissipar a energia que resulta de danos localizados.” Assim, por exemplo, lajes pré-moldadas, apoiadas em paredes de alvenaria, e construções com grandes painéis ou paredes portantes são mais vulneráveis em virtude das dificuldades em prover continuidade e dutilidade em tais sistemas. Lajes lisas e lajes cogumelos podem ser vulneráveis em suas ligações com os pilares.
O modo mais simples de evitar estruturas vulneráveis a colapsos progressivos é prover graus mínimos de continuidade e dutilidade entre os elementos estruturais e suas ligações, como veremos na segunda parte desse texto. São medidas práticas, de baixo custo e que independem especificamente das causas acima identificadas. Tais procedimentos são mais fáceis de serem implementados na prática e nas normas do que procedimentos direcionados para uma específica causa. A tendência atual de privilegiar critérios gerais de desempenho em detrimento das condições prescritivas atuais estimula-nos, como projetistas, a pensar criticamente nossas estruturas com vistas ao seu comportamento em situações inusitadas e adversas, como as do colapso progressivo.
Exemplos no Mundo em que ocorreram colapsos progressivos
O pentágono 

Em 11 de setembro de 2001, terroristas arremeteram um Boeing 757 sobre a fachada oeste do Pentágono, sede do Departamento de Defesa dos EEUU, em Arlington, Virgínia.
Por quase vinte minutos, os andares acima da parte atingida mantiveram- se intatos, apesar do extenso dano provocado pelo impacto nos andares inferiores (1° e 2° pisos). Finalmente, uma parte relativamente pequena dos andares superiores (3° ao 5° piso) entrou em colapso, após tempo suficiente à evacuação das pessoas. A figura acima apresenta uma vista geral do Pentágono.
Descrição da estrutura
O Pentágono é um grande edifício construído em 1941-1942, com cinco pavimentos e uma estrutura convencional de concreto armado (lajes, vigas e pilares), moldada in-loco. Os pilares têm espaçamento entre si de 3, 4,6 e 6,1 metros; as lajes têm espessura de 14 cm e os pilares que sustentam mais de um pavimento, em sua maioria, são cintados (estribos helicoidais). Os demais pilares tinham estribos usuais. O concreto tinha resistência especificada de 17 MPa e as barras de aço tinham fy= 270 MPaA sobrecarga adotada em projeto é de 7 kN/m². Aproximadamente metade das barras longitudinais das vigas estende- se continuamente sobre os apoios (pilares), com emendas por traspasso de 40 diâmetros.
O evento
O Boeing 757 penetrou o edifício entre o primeiro piso (térreo) e a laje do segundo piso, voando a poucos centímetros do chão com velocidade de 850 km/h e avançando aproximadamente 95 metros dentro do prédio (cerca de duas vezes o comprimento do avião). A fuselagem do avião colidiu com a fachada sob ângulo de 42° (com a normal à mesma), abrindo nesta um buraco com 37 metros de largura.
Nenhuma parte do edifício entrou em colapso imediatamente, apesar de 50 pilares no 1° piso (térreo) terem sido devastados pelo impacto do avião. Só 20 minutos após o impacto uma parte dos pisos superiores entrou em colapso, o que permitiu que muitas vidas fossem salvas. O forte incêndio que se seguiu ao impacto, associado á perda do cobrimento das vigas e pilares danificados contribuiu decisivamente para esse colapso. O fogo reduziu a resistência das armações expostas de vigas e pilares, esgotando sua capacidade de resistir à redistribuição dos esforços. Uma parte remanescente da estrutura severamente danificada manteve-se sem colapso, apesar de vencer vãos com numerosos pilares destruídos.
A investigação demonstrou que os pilares responderam ao impacto com dutilidade. Se a armação transversal fosse de estribos comuns, em lugar do cintamento utilizado, o número de pilares destruídos seria muito maior.

Na figura é uma vista da área do edifício, que entrou em colapso, após a remoção dos escombros.

Lições
Apesar dos extensos danos nos pilares do 1° piso (térreo), o colapso dos andares acima foi extremamente limitado. Esse comportamento favorável, que permitiu a salvação de muitas vidas, deveu-se ás seguintes características da estrutura:

1. Um sistema aporticado redundante, com muitos apoios e alternativas diversas de redistribuição das forças, no caso de colapso localizado de pilares;
2. Pequenos vãos entre pilares;
3. Continuidade das armações inferiores das vigas sobre os pilares;
4. Projeto para sobrecarga elevada;
5. Grande dutilidade e capacidade residual de carga dos pilares cintados;

Edifício Murrah 

      O edifício Alfred P. Murrah era um edifício do governo federal localizado na cidade de Oklahoma, Oklahoma, USA . Na manhã de 19 de abril de 1995, esse edifício foi alvo de ataque terrorista, em que um caminhão-bomba foi detonado em frente de uma de suas fachadas. A explosão causou extensos danos ao edifício.

Descrição da estrutura
O edifício Murrah, construído entre 1970 e 1976, era um edifício de nove andares de concreto armado, com 30 m de largura e 67 m de comprimento. Ao longo da fachada onde estacionou o caminhão-bomba, havia uma viga de transição ao nível do 3° piso, com vãos de 12,2 m, que suportava os pilares dos andares superiores, distantes entre si de 6,1 m.
O evento
A explosão do caminhão-bomba causou severos danos ao longo de toda a fachada , que se estenderam cerca de 20 m para dentro do edifício. Estimase que praticamente a metade da área útil do edifício entrou em colapso. Três dos quatro pilares centrais, que serviam de apoio à viga de transição do 3° piso, foram imediatamente implodidos, provocando colapso progressivo dos andares superiores. Nas figuras abaixo  apresentam uma vista parcial da fachada destruída e  esquematicamente a parte destruída e a remanescente, após a explosão.
  
Análise do colapso
As análises do colapso evidenciaram que a estrutura do edifício foi projetada como uma estrutura aporticada usual de concreto armado, em total conformidade com a norma ACI 318, edição de 1970 (correspondente à nossa NBR 6118) e o projeto foi muito bem detalhado. De acordo com as próprias normas, a estrutura não foi projetada para resistir ações excepcionais como explosões de bombas ou sismos.
Essa análise identificou, pelos dados de projeto, que a remoção de um dos pilares do andar térreo transferiria cargas e esforços aos pilares vizinhos, que os mesmos não seriam capazes de resistir, apesar de detalhados de acordo com a norma da época (década de 70). Concluiu-se que a estrutura aporticada não oferecia dutilidade suficiente para redistribuir as cargas com a remoção dos três pilares da fachada, no andar térreo.
Lições
As mesmas análises também demonstraram que se o detalhamento dos pórticos seguisse as recomendações hoje existentes, como para pórticos em regiões de sismos, a área do colapso teria sido reduzida de 50% a 80%.
Alguns especialistas argumentam que, apesar do colapso ter sido em área maior do que 100 m², estendendo por mais de dois andares, não foi desproporcional à causa de origem, já que foi capaz de implodir três pilares de uma só vez. Esses ponderáveis argumentos recolocam em discussão a caracterização da desproporcionalidade dos colapsos progressivos, adicionando novos parâmetros.
O colapso do edifício Murrah destaca a sensibilidade ou vulnerabilidade dos edifícios com pisos de transição ao colapso progressivo, na eventual remoção de pilares que sustentam esse piso. O pequeno registro de acidentes desse tipo não poder servir como aval para omissão das medidas de projeto que garantam suficiente robustez, ou seja integridade e dutilidade a essas estruturas, hoje tão usuais entre nós em edifícios de muitos andares.
Como projetar estruturas de edifícios para prevenir colapsos progressivos ?
Após definir, caracterizar e apontar eventuais causas para os colapsos progressivos, a etapa seguinte é a de sua prevenção na fase de projeto das estruturas. Antes de tratar objetivamente desse assunto, há uma pergunta que necessita ser preliminarmente respondida:

Se os dados históricos atestam que o risco do colapso progressivo de edifícios é muito pequeno, conforme se mencionou no texto precedente, e se ações terroristas com aviões e carros bombas não fazem parte do cenário nacional, por que acrescentar esse risco ao rol de nossas preocupações, e como justificar os adicionais custos de projeto e de construção implícitos nas medidas complementares de prevenção desse tipo de colapso? Afinal de contas, os projetos não já consideram as combinações mais desfavoráveis de cargas permanentes, sobrecargas e vento, que conduzem a estruturas com certo grau de resistência e dutilidade, que contribui indiretamente para resistência ao colapso progressivo.

A resposta a essa questão é que a perda de vidas e os graves danos físicos são significativos, nos casos de colapso progressivo (parcial ou total) de edifícios de múltiplos andares, e esse é um fato que não se submete eticamente às avaliações estatísticas de risco. Além disso, outros fatos alinhados a seguir apontam para a exigência atual de consideração do colapso progressivo no projeto das estruturas dos edifícios:

1. A prevenção do colapso progressivo envolve conceituações e procedimentos de projeto que se afastam da nossa prática corrente. Há sistemas estruturais de uso freqüente, em edifícios e pontes, que são vulneráveis ao colapso progressivo, e estão a sugerir a necessidade do projeto reconhecer o risco desse colapso e incorporar em sua prática as considerações de prevenção e resistência a esse tipo de ruptura, independente se os danos iniciais são causados por erros humanos, ações variáveis ou excepcionais.
2. A grande evolução atual nas práticas de projeto, que se fez possível através do uso dos computadores e dos concretos de alta resistência tem conduzido a sistemas estruturais de edifícios relativamente esbeltos e flexíveis, o que lhes favorece maior sensibilidade ao colapso progressivo. As estruturas projetadas há pouco mais de duas décadas eram mais robustas e mais conservativas do que as de hoje, em decorrência dos recursos mais limitados da época;
3. As pressões de mercado atuais, que exigem das empresas eficiência, economia e competitividade, tanto no projeto como na construção, podem conduzir a sistemas estruturais com características mais sensíveis ao colapso progressivo e mais vulneráveis às condições de carregamentos não incluídas em projeto;
4. A crescente utilização de estruturas pré-moldadas ou de componentes pré-moldados de piso resulta em sistemas estruturais com descontinuidades (menos monolíticos) com maior vulnerabilidade ao colapso progressivo;
5. A preferência sistemática da arquitetura dos edifícios pelo recurso aos pisos de transição entre as garagens e pavimentos tipo, associada aos fatores acima listados, potencializa os riscos de colapso progressivo.

Prevalece atualmente o consenso de que a possibilidade de colapso progressivo deve merecer atenção nas atividades de projeto e ser explicitamente considerada e tratada nas normas de projeto. É também consensual o entendimento de que a estratégia de prevenção do colapso progressivo deve visar os métodos que permitam à estrutura inicialmente danificada manter certa integridade, que evite a progressão desproporcional dos danos ou colapsos.
Os atributos de um sistema estrutural que lhe garantem integridade e robustez são:

• a continuidade, que se caracteriza pela sua capacidade em redistribuir esforços, após um dano;
• a redundância, que se caracteriza pela disponibilidade de alternativas diversas de redistribuir os esforços;
• a dutilidade, que se caracteriza pela sua capacidade de plastificação, de suportar extensas deformações antes de romper-se;
• a resistência suficiente à ameaça de colapso progressivo.