Porque razão alguns edifícios não caem? Ação Sísmica sobre os
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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Civil Projeto FEUP 2014/2015 Porque razão alguns edifícios não caem? Ação Sísmica sobre os Edifícios Coordenadores: Armando Sousa & Manuel Firmino Coordenador do curso: Francisco Piqueiro Equipa 11MC04_1 Monitor: Carlos Cardoso Supervisor: Xavier Romão Estudantes & Autores Bruno Carvalho 丨Diogo Neves丨Gonçalo Pinto丨Humberto Lopes丨Manuel Almeida Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup RESUMO Antes de podermos responder á questão problema que nos foi proposta, foi necessário primeiro perceber como é que os sismos funcionam, quais as suas características e como é que os estes afectam os edifícios para então podermos responder à grande questão. Os sismos consistem em movimentos da terra provenientes de grandes descargas de energia subterrânea, que se propagam em forma de onda “onda sísmica” muito comum nas zonas em que há junção de placas tectónicas. Em Portugal as zonas mais recorrentes são ao largo do litoral, nos arredores de Lisboa e no Arquipélago dos Açores. Os sismos podem ter efeitos devastadores se forem de grande magnitude. Nos edifícios, a sua estrutura sofre um esforço de flexão, podendo levar a destruição do próprio. Por consequente a sua destruição pode ter graves repercussões na sociedade. Precisamente para diminuir ao máximo estas consequências, ao longo do tempo a engenharia civil tem vindo a desenvolver diversas técnicas de prevenção sísmica. Técnicas estas, que por vezes consistem apenas num cuidado planeamento estrutural do edifício em harmonia com o projeto do arquiteto, e ainda cuidado na previsão da rigidez dos materiais Mas nem sempre este cuidado é suficiente e torna-se então necessário recorrer a sistemas de segurança anti-sísmica. Com a necessidade de começar a implementar uma construção anti-sísmica surgem soluções estruturais sendo que a “Gaiola Pombalina” foi pioneira, em Portugal, no que diz respeito a este tipo de construção. Para além do desenvolvimento do betão armado nas construções e a sua aplicação em lajes maciças e caixotes de escadas”, atualmente existem ainda outras técnicas mais sofisticadas como o isolamento de base e os dissipadores de energia. Palavras chaves: Sismo Edifício Prevenção sísmica Esforço de flexão Rigidez Soluções estruturais Isolamento de base Equipa 11MC04_1 Página 1 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup AGRADECIMENTOS A equipa 11MC04_1 agradece de uma forma mais geral a todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram no desenvolvimento deste projeto. Em especial ao nosso monitor Carlos Cardoso por todas as suas orientações. Desde os pequenos conselhos até às breves explicações que nos elucidavam às vertentes mais técnicas do trabalho. E ainda por todo o tempo dedicado à equipa. Por fim fica o nosso profundo agradecimento à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, por todos os recursos que disponibiliza e por todas as facilidades que nos presenteia. A todos os professores que proporcionaram uma excelente semana de atividades no âmbito do Projeto FEUP que se revelaram fundamentais na ambientação à Faculdade e à realização de trabalhos técnicos. . Equipa 11MC04_1 Página 2 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup ÍNDICE RESUMO …………………………………………………………………………. 1 AGRADECIMENTOS ……………………………………………………………. 2 INTRODUÇÃO …………………………………………………………………… 4 1. PORQUE É QUE ALGUNS EDIFÍCIOS NÃO CAEM? …………………… 6 1.1. SISMICIDADE ………………………………………………………….. 6 1.2. PORQUE E ONDE ACONTECEM OS SISMOS? ………………….. 8 1.3. QUAIS SÃO OS EFEITOS? …………………………………………... 8 2.EFEITOS DOS SÍSMOS NOS EDIFÍCIOS …………………………………. 9 2.1. EM PORTUGAL ……………………………………………………….. 10 3.PROTEÇÃO SÍSMICA DE EDIFÍCIOS ……………………………………... 12 3.1. SOLUÇÕES ARQUITETÓNICAS …………………………………… 13 3.2. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS ………………………………………... 15 3.2.1. SISTEMAS DE PROTEÇÃO ATIVA …………………………. 16 3.2.2. SISTEMAS DE PROTEÇÃO PASSIVA ……………………… 17 3.2.2.1. ISOLAMENTO DE BASE ………………………………. 17 3.2.2.2. DISSIPAÇÃO DE ENERGIA …………………………... 19 4. CONCLUSÃO ………………………………………………………………... 22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS …………………………………………. 23 Equipa 11MC04_1 Página 3 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup INTRODUÇÃO A procura pelo aumento da longevidade de um edifício remota às primeiras civilizações, em que os grandes edifícios eram feitos para durar. Séculos depois essa procura manteve-se, e a vontade de construir mais e maior aumentou. No entanto muitos destes edifícios eram construídos em zonas sujeitas a frequentes ações sísmicas. Surge assim a necessidade de conceber os edifícios de forma a que estes não caiam. Mas antes de se poder explicitar o porque de alguns edifícios não caírem é necessário, antes perceber de que forma os sismos fazem com que os edifícios caiam. Sabendo que à construção de um edifício está subjacente uma grande durabilidade, apenas a aplicação de grandes forças na sua estrutura poderia provocar o seu colapso. Forças essas que apenas são possíveis em grandes escalas durante um evento sísmico. Quando estes acontecem os movimentos dos solos são de tal forma acelerados que provocam o movimento das fundações da estrutura. Assim a construção deve ser pensada de maneira a que esta aguente qualquer tipo de forças exteriores mesmo nas condições mais extremas. Mas na grande maioria das situações apenas a rigidez e uma boa conceção não são suficientes, e o risco de colapso em caso de sismo mantém-se. Nessas situações é necessário o recurso a sistemas auxiliares, que intitulamos de sistemas de proteção sísmica. Estes sistemas consistem em dispositivos que de alguma forma irão combater os desequilíbrios provocados pelo sismo. Atualmente já existe uma vasta diversidade destes dispositivos, sendo que cada apresenta características próprias que permitem aos engenheiros optar por aquele que melhor se adapta á estrutura. No entanto todos estes dispositivos objetivam o mesmo: não deixar cair os edifícios. Equipa 11MC04_1 Página 4 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup “ A perceção da possibilidade de reduzir as consequências dos sismos pela ação do Homem, independentemente do conhecimento prévio da data da sua ocorrência, data de há milénios atrás. Alguns povos que habitavam a América Central, em zonas onde hoje é o México, já tinham a perceção de que os sismos induziam forças horizontais nas construções, e que para reduzir os danos a resistência e rigidez das construções deveria aumentar de cima para baixo, também em outras regiões e épocas a percepção embrionária de alguns conceitos fundamentais de engenharia sísmica tem dado origem a diversas técnicas e metodologias construtivas que visavam conferir resistência sísmica às estruturas, e reduzir as consequências dos sismos.” Mário Lopes, 2008 Equipa 11MC04_1 Página 5 Porque razão alguns edifícios não caem? 1. Projeto Feup PORQUE É QUE ALGUNS EDIFÍCIOS NÃO CAEM? Os edifícios, maioritariamente os mais recentes, não caem perante um sismo porque ao longo do tempo foram sendo desenvolvidas, por necessidade, varias técnicas de prevenção para que os edifícios não caíssem. Mas, para desenvolver essas técnicas, temos primeiro de perceber como é que os sismos acontecem, porque é que acontecem e onde acontecem, assim como perceber também a reação que um edifício tem perante uma ação sísmica, o seu movimento e possíveis consequências. 1.1. SISMICIDADE Para falar em sismicidade temos primeiro de dizer que a sismicidade depende de lugar para lugar, isto é há lugares com maior atividade sísmica do que outros, assim como também depende da magnitude do sismo. Há sismos que causam muitos estragos e sentem-se notavelmente; em contra-partida acontecem frequentemente sismos com um grau inferior que nem são percetíveis pelo homem no dia-a-dia. No território nacional temos necessariamente de referir a sismicidade citando a nossa história pois os nossos sismos mais significativos aconteceram há muito tempo atrás como o sismo de 23 de Abril de 1909 que destruiu quase por completo os aglomerados de Benavente, Samora Correia e Santo Estêvão. Também devemos saber que Portugal, no contexto da tectónica de placas, se situa na placa Euroasiática, limitada a sul pela falha Açores-Gibraltar, e por último saber que as zonas com maior potencial para atividade sísmica do território são nos arredores da cidade de Lisboa, no seu litoral, como podemos observar na Figura 1, e uma muito recorrente no Arquipélago dos Açores. Isto porque os Açores se encontram numa região de grande dinâmica tectónica onde o continente e o arquipélago dos Açores se inserem e se carateriza pelos deslocamentos em Fig. 1 A carta de isossistas máximas torno da fronteira das placas Euroasiática e Africana. Equipa 11MC04_1 Página 6 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup As regiões sísmicas encontram-se sobretudo nas fronteiras das placas litosféricas, tratando-se, nesta situação, de sismos interplaca. Porém também existe outro tipo de sismicidade que ocorre no interior das placas e que se trata da sismicidade intraplaca, que normalmente ocorre como consequência de falhas ativas. Fig.2 - Principais zonas terrestres com maior risco sísmico Os sismos podem ser caracterizados em duas escalas. A escala de Richter que apresenta a intensidade do sismo, ou seja, a quantidade de energia libertada por ele, e a escala de Mercalli que o classifica quanto a gravidade dos danos causados nas zonas afetadas. Temos como principais zonas sísmicas: ● a zona circumpacífica, que rodeia o oceano Pacífico; ● A zona mediterrânica - transasiática; ● O sistema das cristas oceânicas. Equipa 11MC04_1 Página 7 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup 1.2. PORQUE E ONDE ACONTECEM OS SISMOS? Os sismos são catástrofes naturais provocadas pela libertação de grandes quantidades de energia sob a forma de ondas (ondas sísmicas), que são mais comuns nas junções das diversas placas tectónicas. Pela Teoria da Tectónica de Placas, nas zonas de contacto entre placas existem áreas de fortes tensões, constituindo, assim, locais onde ocorre um elevado número de sismos. Por este motivo, a distribuição geográfica dos sismos está claramente relacionada com os limites das placas tectónicas. Como os sismos são catástrofes que se propagam através de ondas, se ocorrer um sismo no mar, as cidades costeiras perto dessa região também vão ser afetadas pela ocorrência desse mesmo sismo. Fig.3 - Distribuição geográfica das placas tectônicas 1.3. QUAIS SÃO OS EFEITOS? Decisivamente os sismos provocam uma grande destruição em toda a zona atingida se o sismo for de grande magnitude. “ Portanto, no sismo encontram-se diversos elementos que jogando em conjunto provocam impactos acrescidos. São as vibrações, são os incêndios, são as roturas de sistemas importantes para o socorro, são as ondas de tsunami etc.” Portanto os sismos têm efeitos diretos sobre a população começando pela grande quantidade de mortos e feridos, desalojados, etc. Assim como também uma grande destruição a nível económico e industrial, como exemplo temos o devastador sismo do Haiti em janeiro de Equipa 11MC04_1 Página 8 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup 2010 que matou mais de 200 mil pessoas e deixou 1,5 milhão de desabrigados no qual até a atualidade o pais sofre com a pobreza causada pela destruição total da zona afectada na qual tudo ficou em ruínas, ruínas as quais se mantém igual ao longo destes anos. “Como se não bastasse a triste realidade do país mais pobre das Américas, da nação mais miserável de todo o hemisfério ocidental, a cólera, a história de escravidão e ditaduras, como se não bastasse tudo isso, o Haiti foi arrasado por um devastador terremoto em janeiro de 2010. As imagens impactantes: edifícios históricos em ruínas, pessoas esquálidas que nem sequer conseguem chorar, diante de casas que não mais existem, corpos amontoados e retorcidos, tratados sem qualquer dignidade.” Texto adaptado: Gabriel Toueg 2. EFEITOS DOS SISMOS NOS EDIFÍCIOS Tendo os sismos caraterizados (o que são, locais onde ocorrem, como ocorrem) podemos agora interpretar os seus efeitos diretos nas estruturas. Isto é, em que aspetos é que estas catástrofes afetam os edifícios e quais as reações destes às alterações, respondendo assim à pergunta que nos foi atribuída para o desenvolvimento do trabalho. A ação sísmica tem efeitos drásticos nos edifícios, os quais podem levar à destruição total do edifício. Isto porque o sismo provoca o deslocamento de solos, no qual o edifício tem as suas fundações assentes. À medida que as suas fundações se deslocam, a restante estrutura vai tentar acompanhar o movimento para manter a sua posição inicial. O problema baseia-se na grande massa e altura dos edifícios, pois para massas mais pequenas e altura reduzida, a estrutura consegue acompanhar com facilidade o movimento do solo. Mas quando temos edifícios de grandes dimensões (massa e altura) tudo se complica, já que para movimentos com grande velocidade a estrutura não consegue acompanhar instantaneamente o deslocamento do solo, devido à sua grande altura, tendo como resultado um esforço de flexão, que provoca esforços nos pilares com forças paralelas ao solo, devido ao movimento a que este submete as lages do edifício. Pela lei de Newton sabemos que a força é igual à massa vez a aceleração, F = M x a, logo quanto maior a massa, maior a força exercida na estrutura. Isto provocará o desabamento Equipa 11MC04_1 Página 9 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup dos pilares que, concebidos para aguentar com esforços de orientação vertical, não têm rigidez suficiente para aguentar os horizontais. Este efeito faz com que, edifícios sem técnicas de prevenção sísmica, sujeitos a sismos de grande intensidade colapsem durante a oscilação. Daí nos grandes arranha-céus serem aplicadas novas técnicas para manter o edifício intacto durante os sismos. Fig.4 Aplicação das forças num edifício durante um sismo 2.1. EM PORTUGAL A 1 de Novembro de 1755 sentiu-se em Portugal o maior sismo de que há registo na nossa história. Com magnitude de 8,75 na escala de Richter, o sismo devastou toda a cidade de Lisboa deixando inúmeros edifícios irreversivelmente danificados e causando a morte a 60 mil vítimas sensivelmente. Por ter tido o seu epicentro no mar, o sismo provocou também um maremoto que causou ainda uma maior vaga de destruição. Equipa 11MC04_1 Página 10 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Fig.5 Gravura alusiva à destruição de Lisboa, 1755 Após o sismo, e com a necessidade de reconstruir a capital, o Marquês de Pombal reorganizou a cidade e repensou na metodologia de construção das estruturas, e estabelecendo ainda um padrão de edifícios. “No entanto a primeira vez na História que técnicas e metodologias construtivas que visavam conferir resistência sísmica às construções foram aplicadas de forma sistemática e à escala de uma cidade, foi na reconstrução de Lisboa após o sismo de 1755.” (Lopes 2008) A reconstrução da cidade de Lisboa fez-se com base numa organização de ruas paralelas e perpendiculares entre si para facilitar os acessos. A maioria dos edifícios tinham a mesma altura para diminuir os danos em caso de outro sismo. E pela primeira vez na história foi aplicada em grande escala uma técnica de prevenção símica, conhecida como gaiola pombalina. Esta técnica tinha por base a aplicação de vigas, na diagonal, nas estruturas dos edifícios para aumentar a sua rigidez e oposição ao movimento em caso de sismo. Equipa 11MC04_1 Página 11 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Fig. 6 Fotografia de uma maquete da Gaiola Pombalina, com especial foco nas vigas colocadas na diagonal 3. PROTEÇÃO SÍSMICA DE EDIFÍCIOS A minimização das consequências provocadas pelos sismos tem vindo a ocupar um papel cada vez mais importante na edificação de estruturas. Os principais objetivos destas prevenções baseiam-se em reduzir ao máximo a perda de vidas humanas e diminuir os danos físicos dos edifícios ou até mesmo da sua destruição. Preparar um edifício para uma possível ocorrência sísmica significa diminuir o número de perdas humanas provocadas pela sua destruição, assim como a gestão do esforço económico necessário para a sua reconstrução e ou reparação do parque edificado. Como principal resultado desta prevenção, teremos a permanência operacional da estrutura para possível apoio à sociedade e imediata resposta a situações de emergência, como é o caso de hospitais e centros de tomadas de decisão. “A engenharia sísmica, por meio do desenvolvimento de novas tecnologias de construção e pela criação de diferentes metodologias de análise, tem procurado dar resposta ao duplo objetivo já evidenciado de salvaguarda de vidas e redução de danos. Obviamente, a Equipa 11MC04_1 Página 12 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup garantia de que uma estrutura será totalmente segura quando sujeita a um evento sísmico não poderá nunca ser dada, tendo em conta, as incertezas na definição da ação sísmica e no modelo de análise.” ( Texto adaptado, Guerreiro 2008) É de evidenciar a completa ignorância do homem quanto à previsão de sismos. As irregulares características dos sismos levam os engenheiros e arquitetos a desenvolver parques de edifícios, com características preventivas, com base em previsões e registos passados da zona sujeita a construção. Ou seja a completa garantia de resistência de um edifício a qualquer sismo não existe, visto que os testes feitos a estruturas são realizados apenas em ensaios à escala para uma determinada intensidade de sismo, sendo essa intensidade uma previsão provável e não algo confirmado. Neste capítulo evidenciaremos alguns exemplos de soluções de prevenção sísmica, com mais ênfase sobre as soluções estruturais, como resultado da área de estudos em que nos inserimos. 3.1. SOLUÇÕES ARQUITETÓNICAS A divisão das soluções de prevenção sísmica, em arquitetónicas e estruturais é apenas um método para facilitar o seu estudo. Na realidade o projeto de um edifício é desde logo o resultado da cooperação entre arquitetos e engenheiros. A futura segurança do edifício em caso de sismo irá depender da harmonia entre a parte estética e a funcionalidade estrutural do edifício. “O projeto de uma estrutura de um edifício parte normalmente de um projeto de arquitetura do mesmo, em que são definidas as suas principais características geométricas: localização e área de implantação em planta, número de pisos abaixo e acima do solo, divisão do espaço em planta com a definição aproximada ou exata da localização das divisões, (...) elementos de comunicação vertical, etc. A partir daí é preciso conceber (inventar) uma estrutura que suporte todas as ações (...) a que o edifício poderá vir a estar sujeito, com grau de probabilidade mínimo, durante a sua vida útil.” (Lopes 2008) Imaginemos um edifício onde todas as paredes interiores, e mesmo as exteriores, se encontram em posições diferentes, ou seja não existem semelhanças de um piso para o outro. Equipa 11MC04_1 Página 13 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Nestas situações torna-se muito difícil proporcionar ao edifício uma garantia de estabilidade através de paredes mestras que o percorram por inteiro até às suas fundações, garantindo assim uma zona de maior rigidez à estrutura. Claro que esta cooperação nem sempre é possível, isto porque não é regra a prioridade estrutural em função da vertente estética. A arquitetura modernista de Le Corbusier é um exemplo do posicionamento da beleza sob a segurança do edifício. Ele defendia o projeto destes segundo a colocação de lages sob pilares, pilotis, verificando-se a ausência de vigas. Com isto ele procurava estabelecer um novo tipo de relação entre o interno-externo, alterar assim o ambiente das cidades. A sua arquitetura procurava ainda aumentar a abertura visual no interior destes tornando quase inexistentes as paredes mestras. Claro que em função da parte estética vem a redução da segurança estrutural, colocando inúmeros desafios de segurança na resposta do edifício a ações impostas pelo meio envolvente. Esta arquitetura iria provocar o enfraquecimento das estruturas através da falta de paredes mestras, dos lances de escadas em betão sem caixa, e à estrutura apoiada em pilotis que conferem ao edifício demasiada liberdade de movimento em caso de sismo deixando-o “torcer-se” provocando o seu colapso. Fig.7 Modelo da arquitetura preconizada por Le Corbusier: lages sobre pilares sem vigas, pilatis, lances de escadas sem caixa, ausência de paredes mestras Equipa 11MC04_1 Página 14 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup 3.2. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS O processo de conceção de uma estrutura baseia-se inicialmente na capacidade dúctil dessa estrutura, ou seja a capacidade desta aguentar as deformações horizontais provocadas pelas ondas sísmicas, até ao momento do colapso, servindo-se apenas das capacidades “elásticas” dos materiais que a constituem e do formato da sua conceção (rigidez das suas placas, existência de “caixas” de escadas em betão armado, etc). No entanto, nem todos os edifícios apresentam uma boa ductilidade. Isto pode ser justificado pelas diferenças de rigidez nos materiais utilizados ou até mesmo pela conceção estrutural do edifício que não o permite “torcer” livremente, provocando o seu colapso. Nestas situações é então necessário recorrer a sistemas auxiliares de segurança anti-sísmica. Fig. 8 Reforço de uma estrutura com recurso ao posicionamento de treliças na diagonal. Dormitório da Universidade da Califórnia Berkeley, Califórnia Estes sistemas de segurança têm como objetivo tornar a estrutura capaz de suportar todas as ações a que estará sujeita sem causar ao arquiteto grandes impedimentos na projeção do parque edificado. Equipa 11MC04_1 Página 15 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup 3.2.1. SISTEMAS DE PROTEÇÃO ATIVA Dentro dos sistemas de proteção sísmica, existe ainda uma divisão no tipo de sistema, em sistemas ativos ou passivos. Os sistemas de proteção ativa são aqueles que procuram contrariar os movimentos de um sismo pela aplicação de forças externas no edifício, provocando o anulamento destas. Ou seja, podemos classificar estes sistemas como sistemas que necessitam de fornecimento de energia. O procedimento de aplicação deste sistema consiste na previsão da reação da estrutura ao evento sísmico, e a posterior aplicação de sistemas hidráulicos que anularam essas reações. A grande desvantagem deste processo, deve-se às enormes quantidades de energia necessárias para que o sistema exerça forças de escalas elevadíssimas. Mais uma vez explicando pela lei de Newton, F = M x a, logo quanto maior a massa do edifício maior serão as forças necessárias para contrariar o movimento sísmico. Isto traduz-se num elevado custo monetário, tornando este tipo de sistemas menos comuns. Fig 9 Exemplo de um sistema hidráulico de edifícios Equipa 11MC04_1 Página 16 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup 3.2.2. SISTEMAS DE PROTEÇÃO PASSIVA Ao contrário dos sistemas ativos, os passivos dispensam qualquer tipo de fornecimento de energia. Isto permite simplificar a sua conceção que aliada à grande eficácia na proteção de estruturas torna este sistemas economicamente mais acessíveis Como consequente são mais requisitados que os referidos anteriormente. A seguir apresentaremos dois tipos de sistemas de proteção passiva mais comuns: os de isolamento de base e de dissipação de energia. 3.2.2.1. ISOLAMENTO DE BASE O sistema de isolamento de base como o próprio nome indica, objetiva isolar a base do resto da estrutura. De um ponto de vista mais analista, a percebemo-nos de que esta ideia não se concretiza literalmente. Isto porque apesar da independência horizontal, a vertical permanece presente, caso contrário teríamos o edifício a flutuar. Este sistema permite dotar o edifício de uma certa liberdade de movimento em relação à sua base (fundações). Como analisado no tópico EFEITOS DOS SISMOS NOS EDIFÍCIOS, a estrutura tentará acompanhar o movimento da sua base. Ora se a base estiver “separada” da restante estrutura, esta poderá movimentar-se livremente sem implicar o movimento do resto. O efeito geral é o mesmo de assentar o edifício sobre esferas. Mas a aplicação deste tipo de sistema apresenta algumas limitações, nomeadamente na projeção do espaço circundante ao da estrutura. Ao dotar o edifício desta liberdade, ou seja diminuindo a regidez no sentido horizontal é inevitável o aumento dos movimentos nessa mesma direção. Como consequência torna-se absolutamente necessário garantir o espaçamento suficiente para o edifício se “mover” (o que torna impossível a aplicação deste sistema em edifícios construídos em banda). A grande vantagem deste sistema reside no facto de os movimentos, entre os pisos superiores do edifício, serem quase nulos. Equipa 11MC04_1 Página 17 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup “A consequência imediata da interposição de uma camada deformável é a redução da frequência própria de vibração. Numa estrutura com isolamento de base os deslocamentos horizontais concentram-se ao nível da camada de isolamento. A restante estrutura quase não se deforma, comportando-se como um corpo rígido. Aumentam os deslocamentos, mas não a deformação.” (Guerreiro 2008) Fig 10 Esquema de reação, ao movimento do solo, de uma estrutura com e sem isolamento de base Apesar de considerarmos este tipo de sistema como um só, existem já diferentes tipos de dispositivos. Cada um com características especiais mas sempre com o objetivo de isolar a base da estrutura: sendo os principais dispositivos os blocos de Borracha de Alto Amortecimento (mais conhecidos pela sigla HDRB), Blocos de Borracha com Núcleo de Chumbo ( LRB, do inglês lead rubber bearing), Sistema Pendular com Atrito - FPS. (Guerreiro 2008) Apesar de diversas características específicas estes dispositivos têm que apresentar algumas em comum, nomeadamente: ● Capacidade de suporte (capacidade para aguentar com as cargas verticais); ● Baixa rigidez horizontal (ser capaz de permitir à base movimentar-se de forma independente do resto do edifício); ● Capacidade de dissipação de energia; ● Capacidade de voltar à posição inicial; Equipa 11MC04_1 Página 18 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Fig.11 Dois tipos de dispositivos de isolamento de base 3.2.2.2. DISSIPAÇÃO DE ENERGIA A grandes consequências da ação sísmica num edifício tem por base a libertação de grandes quantidades de energia na sua estrutura. Essa energia pode tomar dois caminhos: ou é absorvida pelo edifício provocando deformações na sua estrutura ou é dissipada através de processos mais ou menos controlados. Estes processos servem-se de sistemas de dissipação de energia especialmente concebidos e testados para dissipar grandes níveis de energia sem se deteriorarem. O facto de se conseguir dissipar grandes quantidades de energia de forma fiável e eficaz, sem provocar danos estruturais, tornam estes sistemas um recurso muito credível na proteção de estrutras contra os sismos. Para uma melhor eficácia e maior desempenho dos sistemas, os dissipadores devem ser colocados na estrutura do edifício. Apenas aí o dispositivo conseguirá maximizar a sua deformação provocando uma maior dissipação da energia transmitida à estrutura. Equipa 11MC04_1 Página 19 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Assim como nas soluções analisadas anteriormente, também os sistemas de dissipação de energia apresentam vários tipos de dispositivos com características próprias. Dentro destes dispositivos temos os dissipadores metálicos histéricos. Estes dispositivos tirando partido da capacidade de deformação elástica do metal, sendo o mais comum o aço, controlam a intensidade da força horizontal durante um evento sísmico. A força depende maioritariamente dos deslocamentos impostos ao dissipador. (Guerreiro 2006) Fig. 12 Dissipadores metálicos histéricos aplicados diretamente na estrutura Os dissipadores por atrito são outra alternativa de dissipação de energia. Estes dispositivos cumprem a sua função através de forças de atrito geradas entre a fricção de dois materiais. Os dissipadores de atrito têm a sua capacidade de dissipação de energia associada ao coeficiente de atrito entre os materiais deslizantes, que ao deslizarem dissipam energia cinética por calor (Cardozo, 2010). Equipa 11MC04_1 Página 20 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Fig. 13 Dissipador por atrito, Universidade de Concórdia, Canadá Temos ainda os dispositivos conhecidos por T.M.D. (do inglês tuned mass damper, isto é, amortecedor de massa sintonizada) que são utilizados para controlar as vibrações do edifício. Este dispositivo é aplicável não só para contrariar as deformações durante um evento sísmico, mas também as oscilações provocadas pelos fortes ventos presentes em grandes altitudes. São formados por um oscilador com uma frequência própria calculada de forma a coincidir com a da vibração da estrutura. Assim, a transferência de energia para o dispositivo fará com que a deformação estrutural seja menor. Fig. 14 Dispositivo T.M.D. situado no topo do arranha-céus Taipei 101 Equipa 11MC04_1 Página 21 Porque razão alguns edifícios não caem? 4. Projeto Feup CONCLUSÃO No final do projeto, podemos concluir que a grande longevidade dos edifícios resulta de um cuidado planeamento estrutural. Planeamento esse que composto pela análise do território onde se irá edificar a estrutura, uma boa cooperação entre arquitetos e engenheiros, escolha detalhada dos materiais e técnicas a utilizar e por fim optar pelo dispositivo de proteção sísmica que melhor se adequa à estrutura. Todo este processo surgiu da necessidade de proteger a nossa sociedade. Não só os nossos bens imóveis como todos os cidadãos que a compõem, sendo que o principal resultado destes cuidadosos planeamentos é o aumento do bem estar das populações. Mas é necessário referir que apesar do grande desenvolvimento das técnicas de segurança e prevenção sísmica, estes fenómenos naturais continuam a ser de extrema dificuldade de perceção e previsão. No entanto o trabalho desenvolvido pelos engenheiros baseia-se em conseguir estabelecer padrões de segurança, com os riscos mínimos em caso de sismo. Equipa 11MC04_1 Página 22 Porque razão alguns edifícios não caem? Projeto Feup Referências Bibliográficas Guerreiro, Luís. 2008. “Novas Técnicas de Proteção Sísmica”. In Sismos e Edifícios, ed. Mário Lopes, 365‐ 388. Amadora: Edições Orion. ƒ Lopes, Mário. 2008. “Conceção de Estruturas”. In Sismos e Edifícios, ed. Mário Lopes, 189‐ 268. Amadora: Edições Orion. Monteiro, Mauro. 2011. https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395143135965/Disserta%C3%A7%C3%A3 o%20de%20Mestrado_Mauro%20Monteiro.pdf (acedido em 15 de outubro, 2014) Toueg, Gabriel. http://topicos.estadao.com.br/terremoto-no-haiti (acedido 11 de setembro, 2014) Guerreiro, Luís. 2004. http://www.civil.ist.utl.pt/~luisg/textos/isolamento_mest.pdf (acedido a 10 de outubro, 2014) A.N.P.C (Autoridade Nacional de Proteção Civil) http://www.proteccaocivil.pt/RiscosVulnerabilidades/RiscosNaturais/Sismos/Pages/Oque e.aspx (acedido a 20 de setembro, 2014) Equipa 11MC04_1 Página 23
