Relatório Projecto FEUP Resumo

Relatório Projecto FEUP
Acção dos sismos sobre os edifícios
2012/2013
10 de Outubro de 2012
Resumo
André Ribas, ec12156, David Marques, ec12108, Francisco
Pereira, ec12130, Guiomar Silva, ec12058, Luís Gomes, ec12169,
Nuno Eusébio, ec12173, Rui Almeida, ec12149
Grupo: 12MC02 - 01
Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
Resumo
Os sismos são abalos naturais que ocorrem na litosfera
devido à libertação de energia que se foi acumulando entre placas
tectónicas ao longo do tempo.
Estes abalos provocam estragos nos edifícios que podem
levar ao seu colapso, principalmente porque afectam os seus
suportes.
Deste modo, os engenheiros tiveram de encontrar soluções
para que o número de colapsos diminuísse. Com essa procura
chegaram certas estruturas anti-sísmicas como estruturas
flexíveis, amortecedores hidráulicos, pêndulos gravíticos e bases
de borracha.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
Palavras-Chave
1. Sismos;
2. Edifícios;
3. Colapsos;
4. Fundação;
5. Estrutura;
6. Oscilação;
7. Amortecedores Anti-sísmico;
8. Pêndulo Gravítico;
9. Bases de Borracha Anti-sísmicas;
10. Janelas Anti-sísmicas.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
Agradecimentos
Antes da apresentação do relatório queríamos agradecer
toda a colaboração de:
João Pedro Saraiva
Prof. Xavier Romão
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
Índice
1 - Introdução ………………………………………………………… 6
2 - O que são os sismos? …………………………………………. 7
2.1 - Consequências dos sismos ……………………………… 9
2.1.1 - Efeito dos sismos nos edifícios ………………… .10
3 - Porque é que alguns edifícios não caiem e soluções …….12
3.1 - Tipos de sistemas de Isolamento de Base …………….16
4 - Conclusão ………………………………………………………....18
Bibliografia …………………………………………………………....19
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
1. Introdução
No âmbito da UC ‘Projecto FEUP’ realizamos este relatório
acerca do nosso tema de trabalho: ‘A acção dos sismos sobre os
edifícios’. Por isso decidimos, previamente explicar o que são
sismos,
explicando
como
ocorrem
e
as
suas
consequências/efeitos. Assim, fomos capazes de explicar como
um sismo afecta as estruturas dos edifícios. Posteriormente demos
soluções para diminuir o risco de colapso dos edifícios,
apresentando métodos e estruturas capazes de contrariar a
intensidade dos sismos no edifício.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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2. O que são os sismos?
Sismos são abalos naturais da crosta terrestre que ocorrem
num período de tempo restrito, em determinado local, e que se
propagam em todas as direcções (Ondas Sísmica), dentro e à
superfície da crosta terrestre, sempre que a energia elástica se
liberta bruscamente nalgum ponto (Foco ou Hipocentro).
Qualquer material rígido, de acordo com as leis físicas,
quando submetido à acção de forças (pressões e tensões)
deforma-se até atingir o seu limite de elasticidade. Caso a acção
da força prossiga o material entra em ruptura, libertando
instantaneamente toda a energia que havia acumulado durante a
deformação elástica. Em termos gerais, é aquilo que se passa
quando a litosfera fica submetida a tensões. Sob o efeito das
tensões causadas, a maior parte das vezes, pelo movimento das
Placas Tectónicas, a litosfera acumula energia. Logo que, em
certas regiões, o limite de elasticidade é atingido, dá-se uma ou
várias rupturas que se traduzem por falhas. A energia
bruscamente libertada ao longo destas falhas origina os sismos.
Se as tensões prosseguem, na mesma região, a energia continua
a acumular-se e a ruptura consequente far-se-á ao longo dos
planos de falha já existentes (fig. 1).
Fig. 1 – Teoria Ressalto Elástico
FigFig. 2 - Sismógrafos
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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Os sismos são detectados por aparelhos designados por
sismógrafos (fig. 2) que avaliam o sismo segundo a sua
quantidade de energia libertada numa escala conhecida por escala
de Richter.
Para avaliar a consequência do sismo existe a escala de
Mercalli.
Fig. 2 - Sismógrafos
FigFig. 3 – Efeito do sismo, grau 12 na escala de Mercalli
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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2.1. Consequências dos
sismos
A consequência dos sismos é, então, avaliada segundo a
escala de Mercalli, onde são medidas as suas intensidades
através da avaliação dos danos produzidos nas pessoas, objectos,
estruturas construídas e meio ambiente, num determinado local:
.Grau 1: no grau 1 (nível mais baixo) os sismos passam
despercebidos.
.Grau 2: as pessoas a dormir em andares mais altos sentem um
certo movimento.
.Grau 3: os objectos começam a oscilar.
.Grau 4: os objectos chocalham e os carros estacionados
balançam.
.Grau 5: toda a gente sente os movimentos, os líquidos derramam,
os quadros balançam e as portas abanam.
.Grau 6: existe dificuldade em caminhar, as janelas partem-se, os
quadros caem e o estuque racha.
.Grau 7: as pessoas caem e as chaminés racham.
.Grau 8: os carros são difíceis de controlar, as paredes desfazemse e as chaminés caem.
.Grau 9: alguns edifícios ruem, o solo racha e os canos soltam-se.
.Grau 10-11: os edifícios ficam reduzidos a ruínas e ocorrem
derrocadas de terras nas colinas.
.Grau 12: destruição total (fig. 3).
Deste modo, o sismo pode ter todos estes efeitos e assim
afectar estruturas dos edifícios, efeitos que iremos explicar
seguidamente.
Fig. 3 – Efeito do sismo, grau 12 na escala de Mercalli
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FigFig. 4 – Efeito do sismo nos pilares de um edifício
Acção dos sismos sobre os edifícios
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2.1.1. Efeito dos sismos nos
edifícios
O sismo provoca forças de inércia nos edifícios que são
proporcionais à massa do mesmo. Como grande parte da massa
do edifício se encontra nos pisos, a força de inércia criada pelo
sismo é principalmente fortalecida ao nível do solo. Estas forças
dirigidas para baixo (através das vigas e placas para os pilares e
paredes e, em seguida, para as suas bases) dispersam para o
solo. Assim, os pilares e paredes em andares inferiores
experimentam maior força de inércia induzida pelo sismo. Estas
estruturas são concebidas para serem mais fortes nos pisos
inferiores do que superiores. Quando os pilares são feitos mais
fracos, sofrem danos locais graves na parte superior e inferior de
um piso em particular (fig. 4). Este dano pode levar ao colapso de
um edifício, embora as colunas de andares acima permanecerem
quase intactas.
As lajes horizontais são elementos semelhantes a chapas
que facilitam o uso funcional dos edifícios. Estes elementos são
utilizados em conjunto com as vigas em andares. Quando, durante
sismos, as vigas dobram na direcção vertical, as lajes finas
dobram com elas. No entanto, quando as vigas se movem com os
pilares na direcção horizontal, as lajes, geralmente, obrigam as
vigas a moverem-se com elas.
Fig. 4 – Efeito do sismo nos pilares de um edifício
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
Nos edifícios de betão armado, depois das colunas e dos
pisos serem construídos e o betão armado endurecer, os espaços
verticais entre os pilares e os pisos, geralmente, são preenchidos
com alvenaria para delimitar uma área em espaços funcionais.
Normalmente, as paredes de alvenaria, também conhecidas por
paredes de enchimento, não estão ligadas à envolvente de betão
armado (pilares e vigas). Quando os pilares estão sujeitos a forças
horizontais ao nível dos pisos, tentam mover-se na direcção
horizontal, mas as paredes de alvenaria tendem a contrariar este
movimento. Por serem pesadas e espessas, as paredes de
alvenaria atraem forças horizontais elevadas. Porém, como a
alvenaria é um material frágil, estas paredes desenvolvem fissuras
quando a sua capacidade para suportar forças horizontais é
excedido. As paredes de enchimento não podem ser demasiado
altas, pois assim podem cair para fora do seu plano, ameaçando a
vida. Além disso, a colocação irregular de enchimento no edifício
provoca efeitos nocivos como torção.
Devido a todos estes factores, os sismos provocam danos
consideráveis nos edifícios, podendo levar ao seu colapso.
Assim, explicaremos como é que é possível alguns edifícios
não caírem e daremos soluções para isso.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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3. Porque é que alguns
edifícios não caiem e
soluções
Com o elevado número de sismos que ocorrem todos os
anos desde há muitos séculos (fig. 5), os engenheiros civis tiveram
de encontrar soluções para que o número de edifícios que
entrassem em colapso diminuísse. Assim já há muitos anos que os
engenheiros trabalham no sentido de melhorar a estrutura que
suporta todo o edifício, isto só é possível pois os meios
informáticos que na actualidade se encontram à disposição
permitem fazer cálculos que até há altura eram impensáveis.
Fig. 5 – Aumento dos sismos ao longo dos séculos XIX e XX
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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Deste modo o efeito nas estruturas por acção dos sismos é
analisado de uma forma mais pormenorizada, o que permite um
desenvolvimento de estruturas anti-sísmicas (fig. 6) com mais
segurança e mais económicas.
Fig. 6 – Estrutura anti-sísmica
Como já vimos, na construção de um edifício, uma das
características mais importantes a ter em conta é o facto de a
fundação ser feita para conseguir suportar forças verticais à
mesma. Estas forças são o próprio peso do edifício e todas as
forças resultantes da actividade dos habitantes, como por exemplo
o peso dos móveis. Qualquer edifício é construído de forma a
aguentar variações de carga verticais, mas não horizontais. Como
sabemos, os sismos fazem com que o chão se mova tanto de cima
para baixo, como para os lados, e é esta oscilação horizontal que
provoca a maior parte dos acidentes e colapsos dos edifícios. E
para que um edifício seja realmente à prova de sismos, este tem
principalmente de conseguir suportar estas oscilações. Uma das
maneiras é fazer com que o edifício seja mais flexível, na medida
em que consiga, sem que haja nenhum dano, balançar lentamente
de um lado para o outro. Quando ocorre um terramoto, por vezes
vemos edifícios a abanar. Isto é totalmente propositado, visto que
se um edifício for muito rígido vibra muito rapidamente e acaba por
partir. Na construção de um arranha céus, os engenheiros têm de
ter em consideração o tempo de oscilação do mesmo, quando
afectado por um sismo. Este tempo de oscilação não pode ser
demasiado pequeno pois pode danificar a estrutura, e também não
pode ser demasiado elevado pois, consoante a altura do edifício,
pode causar elevadas oscilações no topo do prédio e como tal,
levar a acidentes que danifiquem o mesmo. Para que este método
seja eficaz é necessário o edifício ter a base substancialmente
mais pesada que o topo.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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Estes mecanismos podem ser divididos em três categorias:
 Amortecedores que se aproveitam da fricção;
 Amortecedores que se aproveitam do metal e da sua elevada
capacidade de se deformar;
 Amortecedores viscosos que são únicos pois diminuem o
stress e a deflexão durante um sismo.
Outro sistema anti-sísmico utilizado pelos engenheiros nos
grandes edifícios é o sistema
de
contrapeso
inercial
(pêndulo) (fig. 7). Este sistema
é instalado na parte superior do
edifício e é constituído por uma
bola
enorme
de
massa
aproximadamente
600
toneladas, suspensa por cabos
de aço e amortecedores Fig. 7 – Pêndulo gravítico (estrutura anti-sísmica)
hidráulicos. Esta bola pode
oscilar em qualquer direcção mas sempre no sentido contrário à
inclinação do edifício que acompanham as vibrações do solo. Este
movimento da bola absorve energia e ao reduzir o balanço do
prédio em cerca de 40%, aligeira as vibrações e o risco de danos
estruturais. Um edifício ao ter este sistema, não significa que está
completamente seguro, pois um edifício sujeito a um grande sismo
superior ao que este sistema aguenta corre o risco de ceder e por
sua vez colapsar.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
Um dos maiores edifícios do mundo tem este sistema antisísmico, o conhecido Taipei 101 (fig. 8). Este arranha-céus resiste
a ventos de 450 km/h e a terramotos até 7 graus na escala de
Ritcher. Neste sistema, que é o maior e mais pesado do mundo, a
bola tem 5,5 metros de diâmetro, pesa cerca de 660 toneladas e
está suspensa por 16 cabos de aço e 8 amortecedores hidráulicos.
Fig. 8 – Taipei 101
Mais um método para evitar a queda dos edifícios é a
utilização de bases de borracha.
Mas como se utiliza a borracha na concepção anti-sísmica?
A resposta é: através de Isolamento de Base. O conceito de
isolamento sísmico é simples. Tal como a designação refere, a
ideia é isolar a estrutura do efeito dos sismos. O efeito devastador
dos sismos decorre da transmissão dos movimentos do solo às
estruturas edificadas, dando origem ao aparecimento de forças de
inércia que as estruturas têm que ter capacidade para suportar. Se
se conseguir “desligar” as estruturas do solo, então os movimentos
deste não afectarão o estado de equilíbrio das estruturas. Esta
afirmação tem algo de utópico, porque seria impossível desligar
completamente as estruturas do solo sobre o qual assentam. No
entanto, se se restringir somente ao plano horizontal, então esta
ideia já é teoricamente concretizável. Assim, a ideia subjacente 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 direcção vertical. O
isolamento será pois relativo somente aos movimentos horizontais.
Uma consequência imediata da interposição de uma camada
deformável entre a estrutura e a fundação é a redução da
frequência própria de vibração associada ao movimento horizontal.
Este facto só por si pode levar a uma diminuição significativa nas
acelerações impostas à estrutura e, consequentemente, nos
esforços.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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3.1. Tipos de sistemas de
Isolamento de Base
Um sistema de isolamento de base pode ser constituído por
elementos de um só tipo ou por elementos de diversos tipos e com
características que se complementam.
As principais características que um sistema de isolamento
de base deve apresentar são:
• Capacidade de Suporte;
• Baixa Rigidez Horizontal;
• Capacidade de dissipação de energia;
• Capacidade de restituição à posição inicial.
Actualmente existem diversas propostas de soluções de
isolamento de base. A maioria delas contém elementos de
borracha ou outro elastómero. De seguida são apresentados os
sistemas de isolamento mais divulgados na actualidade:
I)
Blocos de Borracha de Alto Amortecimento (fig.9);
Fig. 9
II)
Blocos de Borracha com Núcleo de Chumbo (fig. 10);
Fig. 10
16
Acção dos sismos sobre os edifícios
III)
FEUP
Blocos de apoio de Elastómero em associação com
dissipadores viscosos (fig. 11);
Fig. 11
IV)
Sistema Pendular com Atrito (fig. 12).
Fig. 12
Estes são estruturas anti-sísmicas que protegem alguns
edifícios de caírem. Também existem métodos para evitar estragos
dentro dos edifícios quando não perigo de eles colapsarem, como
por exemplo protecções nas janelas. Os vidros das janelas são
uma das partes mais sensíveis da construção de edifícios. Estes
estão envolvidos por uma borracha, para que não fique preso
directamente aos aros de aço. Assim, quando há um sismo o vidro
oscila de maneira controlada diminuindo a hipótese deste partir.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
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Conclusão
Com a realização deste relatório, constatamos que apesar do
nível de sismos ter aumentado ao longo dos tempos, os sistemas
anti sísmicas têm aumentado e melhorado. Tal facto contribuiu
para a diminuição do número de colapsos dos edifícios e da
diminuição da gravidade em caso de colapso.
Assim foi possível verificar porque é que alguns edifícios não
caem, devido a estruturas anti-sísmicas concebidas por
engenheiros, como por exemplo amortecedores, fundações
flexíveis, bases de borracha e pêndulos gravíticos.
Desta maneira, o estudo e investigação dos engenheiros
para contrariar os efeitos dos sismos nos edifícios são
preponderantes para a redução do risco e aumentar o nível da
nossa segurança. Sendo assim, graças aos engenheiros, as
consequências dos sismos podem ser significativamente
reduzidas.
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Acção dos sismos sobre os edifícios
FEUP
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