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WORKSHOP ON
TECHNIQUES AND METHODS FOR VULNERABILITY REDUCTION
LESSLOSS – SP7
Protecção de Estruturas com Isolamento de Base
DECivil
Modelo de dimensionamento com base em deslocamentos
aplicados a estruturas antigas com isolamento de base
Luís Guerreiro
24 de Maio, 2007
LNEC, Lisboa
Isolamento de Base - Introdução
De acordo com o conceito de Isolamento de Base o edifício (ou estrutura) é
“separado” das componentes horizontais do movimento do solo através da
interposição de uma camada com baixa rigidez horizontal entre a estrutura e a
fundação.
DECivil
Camada
deformável
estrutura
solo
A consequência imediata da interposição de uma camada deformável é a redução
da frequência própria de vibração.
Outra consequência é o aumento dos
deslocamentos.
Mas os deslocamentos concentram-se
ao nível dos dispositivos para
isolamento.
Isolamento de Base - Introdução
Um sistema de isolamento de base deve
apresentar:
DECivil
 Capacidade de suporte para cargas verticais
 Baixa rigidez horizontal
 Capacidade de dissipar energia
 Força restituição
Exemplos de dispositivos para isolamento de base
HDRB
LRB
FPS
High Damping Rubber Bearing
Bloco de Borracha de Alto
Amortecimento
Lead Rubber Bearing
Bloco de Borracha com
Núcleo de Chumbo
Friction Pendulum System
Sistema Pendular com
Atrito
Isolamento de Base – Protecção de Edifícios Existentes
DECivil
S. Francisco City Hall
Mackay School of
Mines
Salt Lake City and County Hall
Los Angeles City Hall
Oakland City Hall
Adaptado de www.1906eqconf.org
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
Comparação entre os modos de vibração para estruturas de Base Fixa e com
Isolamento de Base.
DECivil
Base Fixa
1º Modo
2º Modo
3º Modo
4º Modo
Isolada
Deformação no
Isolamento de
Base
Deformação na
Estrutura
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
6.0
5.0
Acceleration (m/s2)
DECivil
4.0
3.0
Base
fixa
2.0
z = 5%
Isolada
1.0
z = 15%
0.0
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
Displacement (m)
“Capacity spectrum” com estrutura isolada
0.10
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
Deformação Global
n
DECivil
DI =
2
(
m
D
 i Ti )
Deformação da Estrutura
DS = DT - DI
i 1
n
n
 (m D
i
i 1
Ti
)
DS =
(deslocamento efectivo)
2
(
m
D
 i Si )
i 1
n
 (m D
i 1
mI =
i 1
i
DI
(massa efectiva)
Ti
Si
)
(deslocamento efectivo)
n
 (m D
i
)
n
 (m D
mS =
i 1
i
DS
(massa efectiva)
Si
)
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
Ponto 1: (Sd, Sa)
6.0
Ponto 2: (Sd,eq, Sa,eq)
m
Sa,eq = I Sa
mS
5.0
Acceleration (m/s2)
DECivil
4.0
3.0
Base
Fixa
2.0
z = 5%
Ponto 2
1.0
z = 15%
0.0
0.00
0.02
Isolada
Ponto 1
0.04
0.06
0.08
Displacement (m)
“Capacity spectrum” com estrutura isolada
0.10
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
O Farol dos Capelinhos é uma estrutura
emblemática da Ilha do Faial, Açores.
DECivil
A Torre do Farol tem cerca de 30m de altura e
apresenta secção octogonal com 2.32m de
largura de face na base e 2.00m no topo.
As janelas e as portas estão dispostas segundo
duas faces opostas do octógono.
A estrutura é composta por alvenaria de pedra
aparelhada e tem um reforço interior constituído
por um anel de betão com 0.20m de espessura.
Modo
Frequencia
(Hz)
1
2.148
2
Observações
Farol dos Capelinhos
Modo
Frequencia
(Hz)
1o modo na direcção X
1
0.475
1o modo de torção
2.243
1o modo na direcção Y
2
0.486
1o modo na direcção Y
3
9.970
2o modo na direcção X
3
0.487
1o modo na direcção X
4
10.121
2o modo na direcção Y
4
2.879
2o modo na direcção Y
5
10.823
1o modo de torção
5
2.938
2o modo na direcção X
Frequências Modais para a solução de base Fixa
Observações
Frequências Modais para a solução com Isolamento
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
Modelo Não Linear Simplificado
Definição das curvas Momento-curvatura
17500
DECivil
Moment (kNm)
15000
12500
10000
7500
5000
2500
0
0.0E+00
5.0E-04
1.0E-03
Curvature
Modelo de Fibras
(Corte)
1.5E-03
2.0E-03
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
25
25
20
20
15
15
Height (m)
Height (m)
DECivil
10
10
5
5
0
0
0
0.005
0.01
0.015
Displacement (m)
Deformação
com Base Fixa
0.02
0
0.001
0.002
0.003
Displacement (m)
Deformação da Estrutura
com Isolamento de Base
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
6.0
DECivil
Acceleration (m/s2)
5.0
4.0
5%
10%
12.5%
3.0
15%
Fixed Base
Freq. = 2.3 Hz
2.0
1.0
0.0
0
0.04
0.08
0.12
Displacement (m)
Resposta Não Linear do modelo com Base Fixa
Deslocamento Efectivo
∑ mi Di2
DEFF = ∑ m D
i i
DEFF = 0.56 Dmax
Massa Efectiva
∑ mi Di
MEFF = D
EFF
MEFF = 0.65 Mtot
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
6.0
Resposta Não Linear do
modelo com Isolamento
5%
de Base
DECivil
Acceleration (m/s2)
5.0
10%
4.0
12.5%
15%
Fixed Base
3.0
Sol. 1 (Base disp.)
Sol. 1 ( Deform.)
2.0
100% (Base)
100% (Deform)
1.0
0.0
0
0.04
0.08
0.12
Displacement (m)
Deslocamento Efectivo
Massa Efectiva
∑ mi Di2
DEFF = ∑ m D
i i
DEFF = 0.95 Dmax
∑ mi Di
MEFF = D
EFF
MEFF = 1.00 Mtot
Base Isolada
Isolamento de Base – Dimensionamento com Base em Deslocamentos
6.0
5%
10%
5.0
12.5%
Acceleration (m/s2)
15%
DECivil
Fixed Base
4.0
Solution 1
Solution 1 (a)
3.0
Solution 2
Solution 2 (a)
Solution 3
2.0
Solution 3 (a)
Series1
Solução 3
Solução 1
1.0
Series15
Solução 2
0.0
Series14
Series16
Series17
0
0.04
0.08
0.12
Series18
Displacement (m)
Solução
Frequencia (Hz)
Coeficiente de Amortecimento (%)
1
0.50
12.5
2
0.40
15.0
3
0.60
10.0
Características das soluções
de isolamento de base
Isolamento de Base – Procedimento
Passos a executar:
DECivil
1 – Definição da Curva de Capacidade para o edifício com base fixa.
2 – Definição da capacidade máxima da estrutura em função da força
de corte basal.
3 – Cálculo da massa e do deslocamento efectivo para as estruturas
com base fixa e com isolamento.
4 – Converter o esforço de corte basal obtido na estrutura de base fixa
para o valor equivalente na estrutura isolada.
5 – Escolha das características do isolamento de base.
Isolamento de Base – Conclusões
DECivil
• A metodologia proposta pode ser uma ferramenta útil no
dimensionamento do isolamento de base para a protecção
de estruturas existentes.
• A curva de capacidade calculada para a estrutura de
base fixa pode ser utilizada para caracterizar o
comportamento sísmico da estrutura isolada acima da
camada de isolamento.
• O isolamento de base é uma solução eficaz na protecção
sísmica de estruturas de baixa ductilidade.