A ação dos sismos sobre os edifícios
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A ação dos sismos sobre os edifícios Porque é que alguns edifícios não caem? Grupo 1 – Turma 2 Supervisor Xavier Romão Monitor João Pedro Saraiva 120501055 - Beatriz Alves 120504222 - Joana Gomes 120501061 - Mariana Fernandes 120503279 - Marlene Ferraz 120501057 - Pedro Ferreira 120501101 - Ricardo Correia 120501145 - Tiago Pintão Outubro de 2012 Resumo No âmbito da disciplina Projeto FEUP foi-nos atribuído o tema “A acção dos sismos sobre os edifícios” ao qual foi dada especial atenção à questão “Porque é que os edifícios não caem”. Na pesquisa deste tema foi dada especial atenção a como reagem os edifícios em caso de sismo, para tal foi elaborada uma pesquisa alargada, nas diversas fontes de conhecimento especializadas na matéria em questão. Ao longo deste relatório serão definidos vários conceitos, tais como: sismo, flexibilidade, amortecedores sísmicos, entre outros que são essenciais para uma boa compreensão do problema abordado e as suas soluções. 2 Índice Introdução..................................................................................,........... 4 1.O que são os sismos?......................................................................... 5 1.1.Causas...……………………….………………………..…...…. 5 1.2Consequências...................................................................... 5 2.Escalas de avaliação sísmicas ...……….……….……….………....... 10 2.1Escala de Mercalli .............…...…………………….....……… 10 2.2Escala Richter .………………………...……….…..........…......11 3.Ondas sísmicas .................................................................................12 4.Zonas sísmicas da Terra……….……………………………....……… 13 5.Sismicidade em Portugal………………………………………..…....... 15 5.1.Sismos mais importantes em Portugal………………..……..16 5.2.Regiões de Portugal mais atingidas por sismos……....……17 6.Os sismos em números………………………………………….…...…18 7. Regulamentação Antissísmica…………...………….………….......... 20 8.Eurocódigo……………………………………………………….…….…21 9.Medidas de construção antissísmica ...……………..…………….......22 10.Porque é que os edifícios se movem? ........................................... 29 10.1.Flexibilidade do edifício …................................................. 31 10.2.Ductilidade………………………………..………..….......…. 31 10.3.Amortecimento …...……....…………….…………..…......... 32 11.Como é que a estrutura arquitetónica de um edifício é afetada durante um sismo? .............................................................................. 33 11.2.A importância das estruturas arquitetónicas …….……....... 33 11.3.A proximidade entre edifícios ………..…....…......…..…...... 33 Conclusão …………………………………........……....………...... 36 Referências Bibliográficas …………………………....…………... 37 3 Introdução No âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP” realizou-se o relatório que aborda o tema “A acção dos sismos sobre os edifícios: Porque é que alguns edifícios não caem?”. O tema adquirido relaciona-se bastante com o curso de Engenharia Civil, e é, no fundo, um bom tema visto que aborda termos que certamente iremos utilizar no nosso dia-a-dia. Com este relatório poderemos construir uma base para novos conhecimentos. O tema “A acção dos sismos sobre os edifícios” estava dividido em duas partes, “Porque é que alguns edifícios não caem?” e “Porque é que alguns edifícios caem?”. Posto isto, o grupo decidiu escolher o primeiro ‘subtema’. Ao longo do relatório iremos expor com algum desenvolvimento a definição de sismo, bem como as suas causas e consequências, será explicado o que é uma onda sísmica, analisar a actividade sísmica em Portugal, referir materiais e construções contra abalos sísmicos e a estrutura que o edifício deve ter para que seja mais resistente contra esses mesmos abalos. 4 1. O que são os sismos? Os sismos são movimentos vibratórios bruscos da superfície terrestre, a maior parte das vezes devem-se a uma súbita libertação de energia em zonas instáveis do interior da Terra. Um sismo representa o termo de uma série de fenómenos. Os movimentos de massas magmáticas, relacionados com os fenómenos de vulcanismo, os abatimentos em grutas e cavernas, o desprendimento de massas rochosas nas encostas das montanhas e os movimentos tectónicos, são as mais vulgares causas naturais dos sismos. 1.1. Causas Os sismos são causados por: movimentos subterrâneos de placas rochosas; actividade vulcânica; deslocamentos de gases no interior da Terra. 1.2. Consequências Entre as consequências de um sismo estão: a vibração do solo Os movimentos do solo, provocados pelas ondas sísmicas, podem ser registados em aparelhos denominados sismógrafos, dando origem ao sismograma. Os sismógrafos registam o movimento de uma base indeformável, solidária com o solo (Fig.1), relativamente ao movimento de uma massa de grande inércia que constitui o pêndulo. Este movimento depende da vibração do solo e da vibração do próprio pêndulo. 5 Para registar todos os movimentos do solo são necessários 3 sismógrafos (Fig.1) - um regista os movimentos verticais, e os outros dois registam os movimentos horizontais, sendo um deles colocado na direção norte-sul e o outro na direção este-oeste. (in Diciopédia 97 ©, Porto Editora). Fig. 1 - Registo da actividade sísmica através de um sismógrafo (adaptado de [1]) a abertura de falhas Uma falha (Fig. 2) é uma superfície num volume de rocha onde se observa deslocamento relativo dos blocos paralelo à fratura A extensão da falha varia entre poucos centímetros e centenas de quilómetros. O plano de falha é a superfície da fratura onde se observa deslocamento relativo entre blocos, as dimensões podem variar de forma ampla. Fig. 2 - Representação esquemática do hipocentro de um sismo e da falha que este origina (adaptado de [2]) 6 deslizamento de terras Um deslizamento de terra (Fig.3) é um fenómeno de ordem geológica e climatológica que inclui um largo espectro de movimentos do solo, tais como quedas de rochas, rotura de encostas em profundidade e fluxos superficiais de detritos. Fig. 3 - Deslizamento de terra (adaptado de [3]) tsunamis Quando o epicentro de um sismo se localiza no oceano, podem originar-se enormes vagas - maremotos ou tsunami (Fig. 4) - que, atingindo a costa, varrem o litoral, provocando destruição. Fig. 4 - Imagem representativa da formação de um tsunami (adaptado de [4]) mudanças na rotação da terra. O diretor do Centro de Geofísica da Universidade de Lisboa indicou que o deslocamento do eixo de rotação da terra é normal nos sismos, tal como sucedeu no forte de tremor de terra que atingiu o Japão e que deslocou esse eixo em dezassete centímetros. 7 Ouvido pela TSF, Miguel Miranda explicou que «sempre que há uma placa que entra sobre outra e mergulha na Terra temos aquilo a que se pode chamar uma mudança de duas coisas». «Em primeiro lugar, muda a posição relativa das massas da Terra e portanto pode haver uma pequena aceleração da Terra e uma variação do eixo», adiantou este especialista, que disse que as «mudanças são na ordem de centímetros». Segundo este especialista, as «mudanças são muito pequenas e provavelmente haverá uma pequena variação na duração do dia», algo que depois volta ao normal, quando a Terra recuperar deste deslocamento. destruição de construções feitas pelo Homem Uma das maiores consequências dos sismos é a destruição das construções (Fig.5). Fig. 5 - Fotografia da destruição de uma construção feita pelo Homem (adaptado de [5]) mortes e ferimentos As mortes e ferimentos não são uma consequência direta dos sismos, são a consequência da destruição de construções, tsunamis e deslizamento de terras causados por eles. 8 altos prejuízos financeiros e sociais Os prejuízos financeiros provocados na Índia pelos maremotos de 26 de Dezembro de 2004 ascendem a pelo menos 1,18 mil milhões de dólares, anunciou o ministério do Interior, sublinhando que esta estimativa é provisória. Quase metade deste montante, cerca de 581 milhões de dólares, corresponde a prejuízos contabilizados no Estado de Tamil Nadu, no sul da Índia, o mais atingido pela catástrofe com mais de 7.900 mortos. O documento do ministério do Interior não precisa contudo os prejuízos incluídos nesta estimativa, nomeadamente se apenas contabiliza os causados por destruições ou também as perdas de receitas de dezenas de milhares de pescadores arruinados pela catástrofe. Contudo, o documento sublinha que esta estimativa de prejuízos não inclui os danos sofridos nos arquipélagos indianos de Andaman e Nicobar, localizados a cerca de 1.000 quilómetros a Leste da Índia continental, onde está "em curso uma avaliação". Os maremotos que devastaram a 26 de Dezembro de 2004 o sudeste da Ásia, atingiram violentamente estes dois arquipélagos do sudeste indiano, que no conjunto são formados por cerca de 500 ilhas e ilhotas, dos quais 38 são habitadas. Segundo as autoridades, 30 destas 38 ilhas habitadas foram afetadas e algumas continuam inacessíveis pelo mar devido à destruição dos portos. Na Índia continental, as ondas gigantes atingiram mais de 2.200 quilómetros de costa, essencialmente no sudeste e no sul, e quase 900 aldeias, predominantemente de pescadores. Quase 150 mil pessoas morreram e milhões ficaram desalojadas na sequência de um sismo e ondas gigantes registado ao largo da ilha indonésia de Samatra a 26 de Dezembro e que afetaram vários países na Ásia e em África. O país mais afetado é a Indonésia, com cerca de 84 mil mortos. 9 2. Escalas de avaliação sísmicas 2.1. Escala de Mercalli A escala de Mercalli (Fig. 6) avalia a intensidade de um sismo, ela foi criada por Giusseppe Mercalli. Esta escala baseia-se na avaliação dos efeitos e danos nas estruturas. A escala de mercalli tem apenas importância qualitativa, isto é, é subjetiva pois só tem em conta a observação humana (por exemplo, quando há um sismo num deserto, os estragos são nulos. Mas se houver um sismo com a mesma energia libertada numa cidade onde existam muitas construções, os estragos vão ser muito maiores. Por isso, a intensidade vai ser muito maior na cidade do que no deserto). Fig. 6 - Escala de Mercalli (adaptado de [6]) 10 2.2. Escala Richter A escala de Richter (Fig. 7) avalia a energia libertada num sismo, ela foi criada pelos sismólogos Charles Francis Richter e Beno Gutenberg. Esta escala baseia-se em registos sismográficos. A escala de Richter é uma escala aberta, ou seja, não tem um fim (por exemplo, a escala de Richter, até ao momento tem um máximo de magnitude 10). Fig. 7 - Escala de Richter (adaptado de [7]) 11 3. Ondas Sísmicas Uma onda sísmica é uma onda que se propaga através da Terra, geralmente como consequência de um sismo, ou devido a uma explosão. Estas ondas são estudadas pelos sismólogos, e medidas por sismógrafos, sismómetros ou geofones. Existem dois tipos de ondas: primárias (ondas P) e secundárias (ondas S). As ondas P, ou primárias, são as primeiras a chegar, pois têm uma velocidade de propagação maior. São ondas longitudinais que fazem a rocha vibrar paralelamente à direção da onda, tal como um elástico em contração. Verifica-se alternadamente uma compressão seguida de uma alongamento com amplitudes e períodos baixos, impondo aos corpos sólidos elásticos alterações de volume (contudo não há alterações na forma). No ar, estas ondas de pressão tomam a forma de ondas sonoras e propagam-se à velocidade do som. A velocidade de propagação deste tipo de ondas varia com o meio em que se propagam, sendo típicos valores de 330 m/s no ar, 1450 m/s na água e 5000 m/s no granito. As ondas S, ou secundárias, são ondas transversais, o que significa que o solo é deslocado perpendicularmente à direção de propagação como num chicote. No caso de ondas S polarizadas horizontalmente, o solo move-se alternadamente para um e outro lado. São mais lentas que as P, com velocidades de propagação entre 2000 e 5000 m/s, sendo as segundas a chegar. As ondas S propagam-se apenas em corpos sólidos, uma vez que os fluidos (gases e líquidos) não suportam forças de cisalhamento. A sua velocidade de propagação é cerca de 60% daquela das ondas P, para um dado material. A amplitude destas ondas é várias vezes maior que a das ondas P. 12 4. Zonas sísmicas da terra O Mundo está repleto de zonas sísmicas perigosas (Fig. 8) onde ocorrem vários movimentos tectónicos de grande intensidade em pouco tempo. Nas dorsais meso-oceânicas (médio-oceânicas), bem como nas falhas transformantes, originam-se numerosos sismos de intensidade moderada. Estes produzem-se a uma profundidade, abaixo do fundo oceânico, entre 1.000 a 2.000 metros e, praticamente, não afectam o homem. Nas zonas de subducção têm origem sismos superficiais (profundidade do foco até 80 Km), muito embora, os sismos superficiais ocorram particularmente ao longo das dorsais meso-oceânicas (limites divergentes), intermédios (profundidade do foco entre 80 e 300 Km, concentrando-se, particularmente, nos limites convergentes) e profundos (profundidade do foco entre 300 e 700 Km, encontrando-se unicamente nos limites convergentes). É aqui que se originam os terramotos mais violentos e também os mais mortíferos, por causa da sua situação geográfica, frequentemente, localizada em regiões de forte densidade populacional (Chile, Japão, México). Fig. 8 - Zonas com maior actividade sísmica no mundo (adaptado de [8]) 13 Zona do Círculo Circum-Pacífico - esta zona rodeia o oceano Pacífico, abrangendo as costas do México e da Califórnia, Golfo do Alasca, Arquipélago das Aleutas, Península de Camechátca, as Curilhas e a costa oriental do Japão, dividindo-se a partir daqui em dois ramos, um que atravessa a Formosa e Filipinas e o outro seguindo as Ilhas Polinésias (Marianas e Carolinas Ocidentais).Os dois ramos unemse na Nova Guiné, costeando, seguidamente, o bloco firme da Austrália, seguindo até às ilhas Fiji e Kermadec, Nova Zelândia até ao continente Antárctico. Prossegue pela Cordilheira dos Andes, ao longo do litoral ocidental da América do Sul, passando pelas ilhas de Páscoa e Galápagos. O círculo fecha-se com um pequeno anel que passa pelo Arquipélago das Caraíbas. Zona de ondulação alpina da Europa e da Ásia - tem início na África do Norte e na Espanha e estende-se, depois, com largura crescente, até aos altos planaltos do Pamir (NW dos Himalaias no Tajiquistão ), descendo, em seguida, pela Cordilheira Birman ( SE dos Himalaias), passando à costa ocidental da Indonésia, onde vai encontrar-se com o Círculo Circum-Pacífico. Zona da Dorsal Meso-Atlântica - zona sísmica que segue a cadeia de montanhas submarinas ao longo de toda a dorsal meso-oceânica Atlântica. Passa pela Islândia e os Açores, bifurcando-se a oeste de Portugal para alcançar a região mediterrânica. Zona compreendida entre a costa meridional da Arábia e a ilha de Bouvet, no oceano Antártico - zona sísmica análoga à do Atlântico (placas divergentes), está relacionada com a cadeia dos altos fundos que separa o oceano Índico em duas partes. Para completar este inventário de geografia sísmica, assinalamos a sismicidade do Grande Rift Africano, marcado pela sucessão dos Grandes Lagos e das regiões vizinhas de fratura do Mar Vermelho. 14 5. Sismicidade em Portugal Portugal situa-se na placa Euro-Asiática limitada a sul pela falha AçoresGibraltar que corresponde à fronteira entre as placas euro-asiática e africana e a oeste pela falha dorsal do oceano Atlântico, sendo assim, Portugal está situado numa zona propensa a sismos devido ao deslocamento das placas tectónicas em que a placa africana se desloca para Norte enquanto que na zona mais ocidental da fratura Açores-Gibraltar (FAG) encontra-se a junção tripla dos Açores e a Sudeste da ilha de S. Miguel a fratura toma um movimento de desligamento e é conhecida por Falha da Glória. Um pouco mais para oriente, na zona do Banco de Gorringe, o movimento de desligamento passa a cavalgamento da placa euroasiática sobre a placa Africana. Para oriente abandona-se o domínio oceânico e entra-se no domínio continental com convergência continente-continente. Assim, o território português constitui uma zona de sismicidade importante (Fig. 9). Fig. 9 - Portugal quanto à situação geográfica de tectónica de placas (adaptado de [9]) A sismicidade observada mostra que a actividade sísmica do território português resulta de fenómenos interplacas e de fenómenos localizados no interior da placa (sismicidade intraplacas). Aqui, ao contrário da sismicidade interplacas que se caracteriza por sismos de magnitude elevada e grande profundidade, a sismicidade é baixa a moderada e mais difusa, sendo difícil a relação direta entre as falhas existentes e os epicentros dos sismos. 15 5.1. Regiões de Portugal mais atingidas por sismos A carta das isossistas máximas (Fig. 10) observadas até à atualidade, permite-nos concluir que o risco sísmico no continente é elevado: as maiores concentrações demográficas situam-se no seu litoral, precisamente nas áreas de maiores intensidades sísmicas observadas: Fig. 10 - Carta de isossistas máxima registada em Portugal (adaptado de [10]) A análise da sismicidade para diferentes períodos de exposição conduz à elaboração dos mapas de perigosidade sísmica do território. O estado atual do conhecimento sobre a ação sísmica, e em particular a que afeta o País, indica que, a nível mundial, a perigosidade sísmica do território Nacional é moderada. Esta perigosidade é um dos fatores que contribui para o risco sísmico de Portugal, embora a avaliação do risco sísmico nas diferentes regiões seja condicionada de forma decisiva por outros fatores fundamentais, nomeadamente os elementos expostos do parque edificado e sua vulnerabilidade. 16 5.2.Sismos mais importantes em Portugal O sismo de 1 de Novembro de 1755 foi um dos mais destruidores, com uma magnitude aproximada de 8.8, e foi o resultado dos movimentos interplacas. A localização do seu epicentro continua incerta: inicialmente apontavase para uma zona junto ao Banco de Gorringe, atualmente já se coloca o epicentro mais junto à costa, na Falha Marquês de Pombal. Outro exemplo de sismo resultante da atividade interplacas no nosso território, é o sismo de 28 de Fevereiro de 1969, que teve o seu epicentro no Banco de Gorringe. Apesar da sua elevada magnitude, não afetou de forma sensível o território nacional, devido à sua grande distância. 17 6. Os sismos em números Em cada ano ocorrem inúmeros sismos nas mais variadas regiões de todo o mundo com diferentes magnitudes. Ao longo da história da Terra, desde que se faz uma medição da magnitude dos mesmos tem vindo a ser batidos sucessivos records de magnitude, pelo que se apresenta abaixo o top dos 30 sismos mais significativos do mundo. Top 30 Sismos mais significativos do mundo PAÍS MAGNITUDE ANO PAÍS MAGNITUDE ANO CHILE 9.5 1960 SUMATRA 8.5 2007 ALASKA 9.2 1964 KURIL ISLANDS 8.5 1963 SUMATRA 9.1 2004 RUSSIA 8.5 1963 JAPAN 9.0 2011 INDONESIA 8.5 1938 RUSSIA 9.0 1952 RUSSIA 8.5 1923 CHILE 9.0 1868 ARGENTINA 8.5 1922 CHILE 8.8 2010 CHILE 8.5 1922 ECUADOR 8.8 1906 SAMOAN ISLANDS 8.5 1917 COLOMBIA 8.8 1906 JAPAN 8.5 1896 PORTUGAL 8.7 1755 PERU 8.4 2001 SUMATRA 8.6 2012 JAPAN 8.4 1933 SUMATRA 8.6 2005 KURIL ISLANDS 8.3 2006 ALASKA 8.6 1957 RUSSIA 8.3 2006 CHINA 8.6 1920 JAPAN 8.3 2003 CHILE 8.6 1906 RUSSIA 8.3 1958 Devido às consequências dos sismos que já foram referidas no presente relatório, é evidente que os sismos acarretam custos devido a toda a destruição que causam e que provocam indiretamente muitas mortes, pelo que se apresenta de seguida o top dos 5 sismos mais dispendiosos e o top dos 5 sismos com maior mortalidade, respectivamente. 18 Top 5 Sismos mais dispendiosos PAÍS CUSTO. US$ ANO Japão 235 Biliões 2011 Japão 100 Biliões 1995 Estados Unidos 81 Biliões 2005 Estados Unidos 42 Biliões 1994 China 29 Biliões 2008 Top 5 Sismos com maior mortalidade PAÍS Nº de Mortes ANO China 830,000 1556 Indonésia 283,106 2004 China 255,000 1976 Síria 230,000 1138 China 200,000 1927 Através da análise destes três tops podemos concluir que os sismos são um dos desastres naturais que mais impacto tem junto da populações, não só pelos prejuízos humanos e materiais causados mas também pela sua imprevisibilidade. Este panorama tem motivado os investigadores na busca de novas soluções para melhorar o comportamento antissísmico das estruturas. 19 7. Regulamentação Antissísmica A primeira regulamentação antissísmica que se desenvolveu em Portugal, data do tempo do Marquês de Pombal e, por consequência, foi desenvolvida devido ao sismo que ocorreu no ano de 1755 (Fig. 11). Fig. 11 - Gravura representando a destruição ocorrida em 1755, em Lisboa (adaptado de [11]) De facto, esta ideia de construção antissísmica era baseada numa estrutura de madeira, revestida exteriormente por alvenaria de pedra, tendo por base de ideias, a construção naval, dado que se verificou uma analogia entre o comportamento das embarcações e o comportamento de um sismo durante a ocorrência de um sismo. Efetivamente, ambas as estruturas estariam sujeitas a ações atuantes em meios agitados, absorvendo, por isso, parte da energia dos deslocamentos a que estão sujeitas. Assim sendo, nos edifícios foram sendo implementados sistemas de madeira revestidos por pedra, tendo ganho o nome de “gaiola”, considerada uma invenção do urbanismo pombalino. Assim sendo, os edifícios pombalinos, representam uma grande marca na engenharia sísmica, dado que são constituídos por uma estrutura tridimensional de madeira no seu interior, não sendo visível por se encontrar revestida pelas paredes de pedra, que permite a absorção da parte das ações e deslocamentos provocados pela ocorrência de um sismo. 20 8. Eurocódigo 8 Os eurocódigos (Fig. 12) são um conjunto de normas europeias que visa uniformizar critérios de cálculo e dimensionamento de estruturas. O” eurocódigo” tem o objetivo de proteger o ser humano, limitar as perdas económicas e garantir que são mantidas as condições necessárias para o correto funcionamento de serviços como a proteção civil, bombeiros, hospitais, entre outros. O eurocódigo 8 é aquele que refere as normas que devem ser aplicadas na construção antissísmica. Fig. 12 - Logótipo dos eurocódigos (adaptado de [12]) 21 9. Medidas de construção antissísmica Ao longo dos tempos, devido a todas as perdas materiais e de vidas humanas, foi necessário desenvolverem-se técnicas que proporcionassem aos edifícios uma maior resistência, para que os mesmos fossem capazes de resistir a algum contratempo. O dimensionamento de um edifício antissísmico tem, por isso, como objetivo fazer com que este não colapse e que apenas sejam afetados elementos não estruturais tais como vidro e algumas paredes. Assim sendo, com o passar dos anos e com o avançar da tecnologia e do conhecimento, estas técnicas foram sendo inovadas e, hoje em dia, em alguns locais do mundo, são utilizadas diversas medidas nas construções (Fig. 13), para que seja possível que o edifício resista a um sismo. Fig.13 - Representação esquemática de um edifício possuidor de medidas antissísmicas (adaptado de [13]) 22 De facto, o Japão é dos países com maior taxa de sismicidade, pelo que foi necessário implementar sistemas antissísmicos muito eficazes, dado a grande intensidade e violência com que os sismos daquelas regiões se fazem sentir. Assim, preparar prédios para sismos depende de aumentar a sua resistência e flexibilidade, sendo que um edifício de materiais fracos não resiste a um terramoto e um muito rígido não é capaz de se deformar para absorver os movimentos do solo. Por estas razões, foram criadas medidas de construção antissísmica (Fig. 14), entre as quais: Reduzir o tamanho de janelas e portas, dado que aumenta a resistência das paredes, que devem ter maior espessura para não ruir; Fixar o edifício ao chão com fundações resistentes, na tentativa de evitar deslizamentos; Fixar as partes da construção umas às outras, para fazer com que o edifício se comporte como uma unidade, aquando de um terramoto. Desta forma, cria-se uma ajuda, ao redistribuir e dissipar a força do impacto; Utilizar materiais flexíveis, que suportem maior peso e, por outro lado, que sejam mais leves e maleáveis, para que se possam deformar de modo ilimitado, sem entrar em rotura; 1 4 3 2 Fig. 14 - Representação esquemática de diversas medidas de construção antissísmica (adaptado de [13]) 23 Utilizar suportes de fixação e amortecedores em diagonal (Fig. 15 e 16), feitos de materiais como aço, dado que além de aumentar a resistência do edifício, podem ser alongados ou comprimidos, de forma a compensar o movimento do solo. Fig. 15 - Suportes de fixação e amortecedores em diagonal (adaptado de [13]) Fig. 16 - Suportes de fixação e amortecedores em diagonal (adaptado de [13]) Por outro lado, em edifícios altos, ou seja, com diversos andares, para além das medidas já referidas, é necessário implementar ainda mais algumas, dado a maior fragilidade dos mesmos. Desta forma, algumas destas medidas preventivas utilizadas, poderão ser: Pêndulo: Utilização de um pêndulo gigante de metal (Fig. 17), fixado no último andar, tendo a função de puxar o prédio de volta, quando a inclinação se torna muito elevada. Fig. 17 - Pêndulo utilizado em edifícios de altura elevada (adaptado de [13]) Tubos de aço: Utilização de tubos de aço, dispostos em encaixe telescópico, de forma a se deslocarem uns para dentro dos outros, deixando desta forma, a estrutura flexível. 24 Amortecedores: Os amortecedores de sismos servem para, tal como o nome indica, absorver as vibrações totalmente ou em grande parte de maneira a que estas não sejam transmitidas aos edifícios. Existem dois tipos de amortecedores de edifícios: - Amortecedores hidráulicos (Fig. 18) que funcionam como os amortecedores de choques dos carros, sendo a energia do sismo absorvida pelo sistema hidráulico passando muito pouca energia para o edifício; - Amortecedores de fricção (Fig. 19) utilizam o mecanismo de atrito sólido para dar a desejada dissipação de energia. Fig. 18 - Amortecedor Hidráulico (adaptado de [14]) Fig. 19 - Amortecedor de Fricção (adaptado de [14]) Isolamento da base de um edifício: A ideia por trás dos dispositivos de isolamento de base é separar as bases dos edifícios do chão fazendo com que em caso de sismo as vibrações do mesmo não sejam transmitidas aos edifícios. Este conceito pode ser facilmente explicado através de um edifício assente em cilindros, que não fazem fricção com o chão. Assim quando o chão mexe, o edifício não o fará (Fig. 20), mas esta solução traz problemas pois a base do edifício pode chocar com as 25 paredes das fundações, danificando-o. Este problema pode ser resolvido se se usar uma base flexível normalmente apelidada de isolador de base (Fig. 21). Este isolamento para além de absorver energia introduz no edifício flexibilidade, assim um edifício construído em betão armado torna-se extremamente flexível em caso de sismo. Fig. 20 - Representação esquemática de um edifício assente em cilindros (adaptado de [15]) Fig. 21 - Representação esquemática de um isolador de base (adaptado de [15]) Assim, a ideia sub acente ao conceito de isolamento sísmico, é a eliminação das ligações entre a estrutura e o exterior, no plano horizontal, mantendo em pleno a ligação entre a estrutura e o solo na direção vertical. O isolamento será pois relativo, cingir-se-á somente aos movimentos horizontais (Fig. 22). Fig. 22 - No isolamento de base o ob ectivo é “separar” a estrutura do solo de fundação (adaptado de [16]) 26 Materiais Resistentes, Flexíveis: Acerca dos materiais antissísmicos, recentemente em Portugal foram construídas as primeiras casas antissísmicas, em Braga, adotando uma solução construtiva criada na Bélgica chamada SISMO. Esta solução baseia-se na associação de módulos pré-fabricados (painéis (Fig.23)) que são compostos por duas malhas duplas de aço colocadas nas faces exteriores do módulo, contendo no seu interior duas camadas de material com boas características térmicas e acústicas. Fig. 23 - Lajes do Sistema SISMO-Building Technology (adaptado de [17]) Assim, neste sistema podem ser identificados três componentes diferentes; a malha exterior; os painéis interiores e o enchimento estrutural; o acabamento exterior. O elemento básico do conceito SISMO consiste numa malha tridimensional feita em aço galvanizado. A malha apresenta um conjunto de funções básicas: Serve para conter os painéis interiores que formam a cofragem perdida para o enchimento estrutural (betão armado); Funcionam como zona de ancoragem para o revestimento exterior. 27 Os painéis interiores transformam a malha numa estrutura fechada formando uma cofragem perdida e o espaço entre painéis permite o enchimento com o material resistente, neste caso betão armado. O tipo de enchimento e o material estrutural utilizado depende do tipo de construção, dos materiais disponíveis e dos regulamentos nacionais. Finalmente, a malha exterior permite um acabamento praticamente ilimitado, fornecendo ao arquiteto a liberdade para escolher o acabamento final (Fig. 24) (painéis de madeira, placagens, pedra, alvenaria, etc.). Fig. 24 - Edifício de habitação unifamiliar – Acabamento Final (adaptado de [17]) Concluindo, esta solução, surgiu em Portugal, como sendo uma alternativa às construções tradicionais apresentando algumas vantagens entre as quais: a facilidade de construção e o facto de as suas características físicas em junção corresponderem a uma elevada capacidade de resistência, neste caso contra os sismos, devido à redução das zonas críticas comuns nas construções tradicionais. Estas vantagens fazem desta solução uma boa alternativa garantindo, em certas situações, uma redução no custo final da construção. 28 10. Porque é que os edifícios se movem? As consequências que advêm da ocorrência de um sismo, nomeadamente no que se refere aos edifícios, podem ser bastante notórias e marcadas por uma certa perigosidade. Isto acontece pois este fenómeno geológico provoca um rápido movimento no edifício que, se não tiver sido projetado tendo em conta a resistência a abalos deste tipo, poderá colapsar causando inúmeras mortes (Fig. 25). Fig. 25 – Imagem da devastação de uma cidade após a ocorrência de um sismo (adaptado de [18]) As vibrações resultantes de um sismo propagam-se sob a forma de diversas ondas pelo solo e, se o edifício estiver em contacto direto com o mesmo, situação que é altamente provável na maioria das construções humanas, estas vibrações irão ser transmitidas ao edifício. Esta é, portanto, uma das soluções encontradas pela Engenharia Civil que garantem uma diminuição da vulnerabilidade do edifício, o isolamento da base, que, não sendo total, é garantido por um sistema de rolamentos que permitem a existência de uma movimentação entre a fundação e a parte inferior da construção em causa, ou ainda por um sistema de amortecedores colocados nas bases dos edifícios. 29 O verdadeiro problema dos sismos não se centra exclusivamente na movimentação da crosta terrestre que provoca a movimentação dos edifícios, mas também na enorme quantidade de energia que é libertada num curto espaço de tempo e que, ao movimentar a crosta terrestre gera uma força de grande intensidade que atua sobre os edifícios. Como é sabido pela 2ª Lei de Newton ou Lei Fundamental da Dinâmica, a aceleração adquirida por um corpo é inversamente proporcional à massa desse corpo e diretamente proporcional à intensidade da força resultante que atua sobre o mesmo (F=m x a). Tal significa que quanto maior for a força exercida pelo solo no edifício, maior a aceleração a que este irá ser sujeito, ou seja, maior será a rapidez com que este terá de mudar de velocidade, aumentando-a, neste caso. Logo, quanto maior a energia libertada pelo sismo no epicentro, maior será a movimentação da crosta terrestre, maior será a força gerada sobre os edifícios, consequentemente maior será a aceleração a que estes serão sujeitos e mais rapidamente estes irão aumentar a sua velocidade até atingirem a velocidade máxima, algo que demorará um curtíssimo período de tempo. Tem-se ainda de ter em conta ainda o Princípio de D’Alembert que diz que uma massa sendo sujeita a uma aceleração com uma dada direção e sentido tende a opor-se de à mesma de forma proporcional. É devido a todas estas variáveis que se tem vindo a fazer o estudo do impacto dos sismos nos edifícios de diversos modos entre os quais se destaca a implementação de acelerómetros em edifícios que se situam em zonas sísmicas. Os acelerómetros (Fig. 26), como o próprio nome indica, são instrumentos que permitem detetar e registar em acelerogramas todas as acelerações a que um dado objeto em estudo está a ser sujeito, neste caso o objeto de estudo serão os edifícios e o solo subjacente. Fig. 26 – Imagem esquemática de um acelerómetro (adaptado de [19]) 30 Deve-se ainda de ter em consideração a força inercial que é aquela que corresponde à força que o edifício gera para se opor à aceleração a que este está a ser sujeito. Esta provoca tensões nos elementos estruturais dos edifícios, como as paredes estruturais, vigas, colunas, entre outros, que podem ficar danificados devido à imobilização do edifício que faz com que a força inercial se a “absorvida” internamente. Outra questão que importa referir é que a frequência de vibração do solo durante o sismo, bem como a frequência natural de vibração do edifício influenciam mutuamente a resposta do edifício ao abalo sísmico. Na verdade, se estas frequências de vibração tiverem valores próximos ou até mesmo iguais a resposta dos edifícios é seriamente afetada. Nalguns casos este efeito de amplificação dinâmica pode aumentar a aceleração do edifício elevando-a para valores duas ou mais vezes superiores aos da aceleração do solo. Geralmente, edifícios com maiores frequências naturais e curtos períodos naturais, tendem a sofrer acelerações maiores, mas deslocamentos menores. No caso dos edifícios com frequências naturais mais baixas, e com longos períodos naturais, acontece o contrário, os edifícios ficam com acelerações mais baixas, mas sofrem deformações laterais maiores. 10.1. Flexibilidade do edifício Quanto mais alto o edifício for mais longo tende a ser o seu período natural. No entanto, a altura do edifício está também relacionada com outra importante característica estrutural: a flexibilidade do edifício. Edifícios altos tendem a ser mais flexíveis do que edifícios pequenos. A flexibilidade afeta grandemente a forma como o edifício reage ao sismo. Há que encontrar o equilíbrio perfeito de modo a projetar um edifício com o grau de flexibilidade/rigidez adequado ao meio onde este se encontra. 10.2. Ductilidade A ductilidade é a capacidade que um objeto ao ser sujeito a distorção e deformação tem que lhe permite evitar uma rutura frágil. Ao ser dúctil o edifício, 31 em situações limite, irá deformar-se, mas tal cenário é preferível a uma rutura brusca. Como tal, a ductilidade de uma estrutura é de facto um dos mais importantes fatores que afetam o seu desempenho durante um sismo. Uma das principais tarefas de um engenheiro civil ao projetar um edifício para ser resistente a sismos é assegurar que o mesmo possui ductilidade suficiente para garantir que este resiste a todos os tipos e intensidades de sismos a que pode estar sujeito durante a sua vida útil. 10.3. Amortecimento A última característica/parâmetro estrutural que importa referir é o amortecimento. Como se tinha referido anteriormente, a movimentação do chão e do edifício durante um sismo tem uma natureza vibratória constante. Em vez de ir numa só direção o edifício, na realidade, move-se para trás e para a frente em muitas direções horizontais. Todos os objetos vibratórios incluindo os edifícios, tendem a parar de vibrar eventualmente à medida que o tempo passa, pois a amplitude da vibração decai com o tempo. Sem amortecimento, um objeto vibratório, uma vez posto em movimento, nunca irá parar de vibrar. Obviamente, objetos diferentes possuem diferentes graus de amortecimento. Um saco de feijões, por exemplo, tem um alto amortecimento; Um trampolim tem um baixo amortecimento. Quanto maior amortecimento um edifício possui, mais rápido irá parar de vibrar – o que é, claro, altamente desejável do ponto de vista da resistência sísmica. Atualmente, uma das técnicas de dimensionamento e construção mais avançadas de resistência sísmica consiste em adicionar aparelhos de amortecimento como os absorsores de choques para aumentar artificialmente o amortecimento intrínseco de um edifício e melhorar o desempenho do mesmo face aos sismos. 32 11. Como é que a arquitetura de um edifício é afetada durante um sismo? A arquitetura de um edifício é extremamente importante, na medida em que interfere no modo como o mesmo reage a um abalo sísmico. 11.1. A importância da arquitetura O comportamento do edifício depende principalmente da sua forma, tamanho, geometria e da maneira com a energia do sismo é distribuída pelo edifício. Durante o planeamento do edifício, os arquitetos e os engenheiros civis trabalham de modo a que se obtenha uma boa configuração do edifício e que não haja falhas. As estruturas não devem ser muito altas, muito longas nem largas no plano. 11.2. A proximidade entre edifícios Quando dois edifícios estão demasiadamente próximos (Fig. 27), estes podem em caso de sismo chocar. Quanto maior o peso do edifício maior será este problema. Quando a altura entre os edifícios não é a mesma, o telhado do mais pequeno pode bater no edifício mais alto. Fig. 27 - Imagem representativa da proximidade excessiva entre dois edifícios (adaptado de [20]) 33 Em combate aos inúmeros sismos, ocorridos frequentemente, muitos países optam por investir em novas tecnologias (Fig. 28) na construção civil. Ao construir um novo edifício, a preocupação começa na fundação, parte do edifício que fica em contato com o solo. Estes edifícios têm então nas suas fundações alicerces com suspensão para absorver o impacto gerado pelo terremoto. Tanto podem ser instalados amortecedores eletrónicos, que podem ser controlados à distância, como podem ser instalados amortecedores de molas que funcionam de maneira equivalente à suspensão dos carros. Fig. 28 - Nova tecnologia contras sismos (adaptado de [21]) Os engenheiros também colocam um material especial para amortecer as junções entre as colunas, a laje e as estruturas de aço que compõe cada andar. Todos os andares possuem, além de paredes de betão, uma estrutura de aço interna, que ajuda a suportar o peso do prédio. Uma das partes mais importantes dos prédios com tecnologias mais modernas contra sismos é o sistema de contrapeso inercial, uma espécie de 34 um pêndulo instalado na parte mais alta do edifício (Fig. 29), uma bola suficientemente pesada para movimentar o prédio no sentido contrário às vibrações do solo atenua o movimento e permite que o prédio se mantenha 40% mais estável durante a acção de um sismo. Fig. 29 - Fotografia de um pêndulo instalado num edifício (adaptado de [22]) Uma das medidas também implementadas nestas novas tecnologias é envolver os vidros das janelas, uma das partes mais sensíveis da construção, com borracha, para que não fiquem em contato direto com os aros de aço. Com isso, enquanto o prédio oscila, o vidro também se movimenta, acompanhando o edifício mas de forma controlada. Este conjunto de tecnologias permite que os prédios mais modernos do mundo passem por sismos sem comprometer a estrutura física da construção, evitando assim quaisquer danos, custos e mortes. 35 Conclusão Como se pôde verificar, este relatório deu-nos a conhecer praticamente tudo o que está relacionado com sismos. Após tal informação podemos concluir então que, apesar de ser cada vez mais frequente a ocorrência de um sismo, e por mais que sejam avassaladores e imprevisíveis ao ponto de deixarem países desertos devido às suas elevadas magnitudes, existem edifícios que não caem e saem ilesos à catástrofe. E a resposta a tal acontecimento está nas novas conceções adotadas na engenharia civil, em que implementam novas tecnologias, das quais: o uso de novos materiais resistentes e flexíveis; uma arquitetura minuciosa, em que os edifícios têm de ser desenhados detalhe a detalhe; e o uso de contrapesos inerciais, como a esfera de Taipei. 36 Referências Bibliográficas 1. http://www-ext.lnec.pt/LNEC/DE/NESDE/divulgacao/tectonica.html [Consult.2012-09-29] [9]; 2. https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvb WFpbnxzcGVzc2lzbWljYXxneDoxNjc1ZmY4Zjk1ZGJhYzVj [Consult.2012-09-29]; 3. http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=25689 [Consult.2012-10-02] [8]; 4. http://pessoa.fct.unl.pt/rmi16246/trabalhoicp/Qd%20a%20terra%20treme !.htm [Consult.2012-10-02]; 5. https://sites.google.com/site/spessismica/downloads/engenharia-sismica [Consult.2012-10-02]; 6. http://pt.scribd.com/doc/31219052/Construcoes-Anti-sismos [Consult.2012-10-02]; 7. http://priscilaaquinoprix.blogspot.pt/2011/03/construcoes-anti-sismicas- no-japao.html [Consult.2012-10-02] [13]; 8. https://bibliotecadigital.ipb.pt/bitstream/10198/1804/1/CD%20083.pdf [Co nsult.2012-10-04] [17]; 9. http://civil.fe.up.pt/pub/apoio/Mestr_Estr/NovosMateriais/apontamentos/t eorica/Borracha%20%20A%20Borracha%20na%20Concepcao%20Antisi smica.pdfacelerómetro. 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