Porque é que alguns edifícios não caem?

A ação dos sismos sobre os edifícios
Porque é que alguns
edifícios não caem?
Curso de Engenharia Civil: Turma 1, Grupo 2
André Maia, Diniz Rosas, Edgar Barbosa, João Sousa, Miguel Peixoto,
Márcio Oliveira e Paula Vieira
12-10-2012
A ação dos sismos sobre os
edifícios: Porque é que alguns
edifícios não caem?
André Maia
Diniz Rosas
Edgar Barbosa
João Sousa
Márcio Oliveira
Miguel Peixoto
Paula Vieira
12.10.2012
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Resumo
Os sismos são abalos naturais da crosta terrestre que ocorrem num tempo restrito
num determinado local, que podem resultar muitas vezes em grandes danos em várias cidades
e vilas. O território português, devido à sua posição geográfica, tem um risco sísmico elevado,
mas não está preparado para um grande sismo. Neste relatório, vamos explicar como se
consegue estar pronto para este tipo de catástrofes.
Primeiro, devemos analisar porque os edifícios caem e quais as condicionantes de
construção (pois, por exemplo, construir num solo arenoso é diferente do que construir num
solo rochoso) para podermos seleccionar as melhores soluções anti-sísmicas.
Assim, dependendo do tipo de edifício que queremos construir, há métodos, regras e
dispositivos que devemos seguir (até damos o exemplo de um edifício nos Estados Unidos
onde essas regras foram aplicadas), mas os edifícios já construídos também têm soluções de
reforço, para não ter de se demolir e voltar a construir.
Rapidamente se conclui que Portugal não está pronto para sofrer um sismo de grande
magnitude e que deveria de seguir estas regras e métodos para salvar milhares de vidas.
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Palavras-Chave
 Terramotos
 Edifícios
 Ação
 Colapso
 Robustez
 Resistência
 Liquefação
 Amortecedores
 Contrapeso
 Cimento
 Aço
 Maçonaria
 Contraventamento
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Índice
Agradecimentos ....................................................................................................... 5
Lista de Imagens ....................................................................................................... 6
I - Introdução............................................................................................................ 7
I.1 – O que é um sismo? .................................................................................................7
I.1.1 – Situação em Portugal ......................................................................................7
II – Como proteger os edifícios ................................................................................ 10
II.1 – Porque é que alguns edifícios caem durante um sismo? ...................................10
II.2 – “Condicionantes” na construção de um edifício ................................................11
II.2.1 – Materiais ......................................................................................................11
II.2.2 – Solos .............................................................................................................12
II.3 – Edifícios Novos ....................................................................................................13
II.3.1 – Processos Construtivos ................................................................................13
II.3.2 – Regras e dispositivos usados ........................................................................14
II.3.3 – Aplicação Real: Pirâmide Transamérica, São Francisco (EUA) .....................16
II.4 – Edifícios já construídos ........................................................................................17
II.4.1 – Importância e maneiras de os reforçar ........................................................17
Conclusão............................................................................................................... 18
Referências Bibliográficas ....................................................................................... 19
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Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer à Catarina Ramos, pelo tempo, apoio e ajuda que nos
dispensou durante as aulas do Projecto FEUP, ao professor Xavier Romão pelas luzes que nos
deu sobre o projecto FEUP no início deste, aos oradores das palestras que nos indicaram que
recursos temos e que podemos usufruir na nossa universidade, tal como também nos
demonstraram como elaborar um bom trabalho e uma boa apresentação.
Por último, um agradecimento à FEUP, pela oportunidade que nos deu de realizar este
trabalho, de modo a que nos possamos habituar às lides académicas.
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Lista de Imagens
Imagem 1 – Placas Tectónicas no Mundo
Imagem 2 – Placas tectónicas em redor de Portugal
Imagem 3 – Intensidade Macrossísmica de Portugal
Imagem 4 – Danos por contacto entre edifícios
Imagem 5 – “Amortecedores”
Imagem 6 – Contrapeso
Imagem 7 – Amortecedores de Parede
Imagem 8 – Pirâmide Transamérica
Imagem 9 – Faial, 1998: efeitos do sismo em duas construções adjacentes, uma
reforçada e outra não
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I - Introdução
I.1 - O que é um sismo?
Os sismos (também conhecidos por tremores de terra ou terramotos) são abalos
naturais da crosta terrestre que ocorrem num tempo restrito num determinado local, que se
propagam em todas as direcções (Ondas Sísmicas). Normalmente, ocorrem nas fronteiras das
placas litosféricas, existentes em todo o mundo (ver Imagem 1) ou em áreas de vulcões. Há
uma área de estudo chamada Sismologia que estuda os sismos e as propagações de ondas
elásticas pela terra. Esta área também inclui o estudo dos efeitos dos sismos (como os
tsunamis) ou até de outras fontes sísmicas (como os processos volcânicos, tectónicos,
oceânicos, atmosféricos e artificiais (explosões)).
Imagem 1 - Placas Tectónicas no Mundo
I.1.1 - Situação em Portugal
Portugal, no contexto da tectónica de placas, situa-se na placa Euro-Asiática, limitada a
sul pela falha Açores-Gibraltar (FAG) que corresponde à fronteira entre as placas euro-asiática
e africana e a oeste pela falha dorsal do oceano Atlântico, como se pode ver na Imagem 2.
Devido a este contexto tectónico, o território português constitui uma zona de
sismicidade importante.
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Imagem 2 – Placas tectónicas em redor de Portugal
Devido ao seu enquadramento, o território de Portugal Continental tem sofrido, ao
longo do tempo, as consequências de sismos de magnitude moderada a forte, que resultaram
muitas vezes em danos importantes em várias cidades e vilas do país.
A carta das isossistas máximas observadas até à actualidade (ver Imagem 3), permitenos 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.
Imagem 3 – Intensidade Macrossísmica de Portugal
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No entanto, Portugal não está pronto para sofrer um sismo de grande intensidade. Os
maiores especialistas portugueses em sismos avisam que Portugal pode sofrer, a qualquer
momento, um sismo e um tsunami semelhantes ao que se viram no Japão e que irá matar
dezenas de milhares de pessoas porque o país não está preparado para tal. O Laboratório
Nacional de Engenharia Civil, em 2005, previu que o grande sismo vai matar entre 17 mil e 27
mil pessoas, mas essa estimativa peca por defeito. «O grande problema está na falta de
resistência da maioria dos edifícios portugueses, ao contrário do que acontece no Japão»,
disse Mário Lopes, professor do Instituto Superior Técnico, à TVI24, a aquando de uma
entrevista sobre o estado da proteção antissísmica portuguesa.
«Conhecendo a cidade de Lisboa, receio que possamos ter riscos acentuados em mais
de 50 por cento dos edifícios da cidade», disse João Appleton, engenheiro civil.
Para o economista António Nogueira Leite, um sismo «teria um impacto na economia
portuguesa equivalente a um ano de criação de riqueza». Por isso, o país necessita de preparar
os seus edifícios para a vinda de um sismo iminente. Neste trabalho, vamos verificar como o
podemos fazer.
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II - Como proteger os edifícios
II.1 - Porque é que alguns edifícios caem durante um sismo?
Imagine que está num autocarro que acelera de repente. Os seus pés acompanham o
movimento do autocarro, mas a parte de cima do seu corpo fica para trás, dando a sensação
de cair para trás. Quando o mesmo autocarro trava de repente, o seu corpo estava com a
mesma velocidade do autocarro. Os seus pés, como estavam em contacto com o autocarro,
travam ao mesmo tempo, mas o resto do corpo não, tendendo a cair para a frente. Durante
um sismo, um edifício experimenta forças e movimentos similares, mas de uma maneira muito
mais complexa.
Os edifícios tendem a ser projetados para suportar cargas verticais, tais como o seu
próprio peso e os seus conteúdos. Eles também são concebidos para resistir a cargas laterais,
tais como a força do vento, mas esta tende a ser muito menor do que a carga vertical. Os
sismos atuam sobre os edifícios, causando uma vibração que se transmite das fundações até à
estrutura na superfície. Sofrendo cargas laterais muito elevadas, o edifício abana mais que o
esperado e os esforços desenvolvidos nas componentes estruturais do edifício podem
ultrapassar o seu limite de resistência, provocando danos e eventualmente o colapso da
estrutura.
Também sismos podem causar um processo conhecido como a liquefacção dos solos,
que faz com que o solo perca a sua capacidade de suportar cargas verticais (ver em Solos). Isto
pode causar subsidência de edifícios que pode contribuir para a instabilidade, especialmente
se existir subsidência diferencial (onde um dos lados do edifício assenta mais do que o outro).
Voltando à comparação humano/edifício, o nosso corpo tem flexibilidade e músculos
que o previne e o estabiliza nestes casos. Assim, um edifício também precisa de ser um pouco
flexível e também ter componentes (“os músculos”) que possam conter as pressões causadas
em várias partes do edifício pelos movimentos horizontais causados pelo sismo.
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II.2 - “Condicionantes” na construção de edifícios
II.2.1 - Materiais
São Francisco, Califórnia
No dia 18 de Abril de 1906, a cidade de São Francisco foi arrasada por um enorme
sismo. As paredes de tijolo da Câmara Municipal de São Francisco ruíram e o edifício foi
devorado pelo fogo. Sobreviveu apenas a sua estrutura metálica. Os gigantescos tremores de
terra reduziram grande parte da cidade a escombros.
Maçonaria
A Maçonaria é feita com tijolos de barro queimado e cimento ou argamassa de lama.
Os tijolos podem aguentar cargas que a compressão causa, mas dificilmente aguenta carga que
provoca tensão. A alvenaria é um material quebradiço, que desenvolve fissuras, uma vez que a
sua capacidade de transportar carga horizontal é excedida. Assim, as paredes são os pontos
fracos do edifício: elas compartilham a carga das vigas e das colunas até desenvolverem
rachadelas e colapsarem.
Cimento
O cimento (ou betão) é outro material que é popularmente usado na construção civil
particularmente nas últimas quatro décadas. O betão é feito de pedaços de pedra esmagada
(chamados agregados), cimento, areia e água misturados em proporções adequadas. O betão
é muito mais forte do que a alvenaria sob forças de compressão, mas novamente o seu
comportamento sob tensão é pobre. As propriedades do cimento dependem criticamente da
quantidade de água utilizada no fabrico deste, tendo muito ou pouca água, ambas situações
podem causar estragos.
Aço
O aço é usado na alvenaria e nos edifícios de betão, como barras de reforço de
diâmetro que varia de 6mm a 40mm. Aço reforçado pode aguentar tanto forças de tensão
como de compressão. Além disso, o aço é um material dúctil. Esta importante propriedade
permite barras de aço se submeter alongamento grande antes de quebrar. O betão pode ser
utilizado com barras de aço como reforço. Este material é denominado de betão armado. A
quantidade e localização de aço num membro deve ser tal que o aço deve atingir a sua força
de tensão antes que o betão atinja a sua resistência à compressão. Este tipo de falha é uma
falha dúctil, e é preferível a uma falha em que o betão falha primeiro. Portanto,
proporcionando mais aço a edifícios R.C. pode ser muito prejudicial!
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II.2.2 - Solos
Kobe, Japão
No dia 17 de Janeiro de 1995, a cidade de Kobe, no Japão foi assolada por um sismo de
magnitude 7,2. Muitos dos edifícios modernos de Kobe foram construídos para resistir a
sismos. Contudo, alguns construídos em solo instável ruíram quando os tremores de terra
causaram a liquefacção do solo.
Porque é importante considerar o Solo na ocorrência de um terramoto?
Embora as estruturas estejam apoiadas sobre o solo, a maioria das pessoas raramente
o consideram importante, nem às suas diferenças, nem ao seu subsequente efeito sobre as
estruturas num sismo. Alguns solos são duros, como a pedra, e podem suportar imenso peso;
enquanto outros solos são fracos, como areia solta. As propriedades do solo afectam
diferentes ondas sísmicas que passam através das camadas da terra. Nalgumas áreas, pode
haver diferentes tipos de solos dispostos em camadas umas sobre os outras antes de se
encontrar rocha dura. Nalguns casos, as propriedades do solo fazem com que a sua própria
agitação seja ampliada pelas ondas sísmicas. Isso vai influenciar o que é necessário fazer para
que as estruturas possam resistir melhor aos terramotos. Além disso, um fenómeno conhecido
como liquefacção pode acontecer em grandes sismos.
O que é a liquefacção?
Quando há água subterrânea a menos de 30 metros da superfície em solos que
contêm camadas de areia, as pressões geradas pelas repetidas oscilações nos vários segundos
de vibrações das ondas sísmicas irão causar a subida e a saída da água do solo. Quando isto
ocorre, os grãos de areia são forçados a separarem-se. O solo, em seguida, assume as
propriedades de um semi-sólido. Quando isso acontece numa grande área, casas e edifícios
com fundações inadequadas podem literalmente afundar-se no solo. Quando ocorre a
liquefacção de uma área pequena, a areia liquefeita pode ser ejectada para a superfície
através de fissuras nas camadas acima. Esta ruptura do solo terá um impacto maior sobre
condutas, fundações mais fundas e outras estruturas por baixo da superfície da terra.
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II.3 – Edifícios Novos
II.3.1 – Processos Construtivos
Método Convencional (Robustez)
O dimensionamento do edifício deve definir a resistência, rigidez e capacidade de
deformação elástica, para que sejam suficientes para resistir a um dado nível de sismo gerado.
Isto pode ser conseguido por selecção de uma configuração estrutural adequada e de uma
pormenorização cuidadosa dos elementos estruturais, tais como viga, pilares e as ligações
entre eles.
Método Básico (Resistência)
O dimensionamento depende da utilização das técnicas mais avançadas de resistência
aos sismos. Este método não é para reforçar a construção, mas para reduzir as forças geradas
pelo terremoto que actuam sobre o edifício. Isto pode ser conseguido pela dissociação da
estrutura do movimento do solo. É possível reduzir as forças induzidas pelo sismo no edifício
de três maneiras.
1. Aumentar o período natural das estruturas pelo Isolamento da Base;
2. Aumentar o amortecimento do sistema pelo uso de dispositivos de dissipação de
energia;
3. Suavizar os efeitos do terremoto usando Sistemas de Controlo Activo (ver Sistemas de
Controlo Activo).
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II.3.2 – Regras e dispositivos usados
Há regras que devem ser seguidas para podermos ter um bom edifício anti sismos:
Ter intervalos entre edifícios (Imagem 4): Um intervalo de uma
largura específica entre edifícios adjacentes ou partes do mesmo
edifício para permitir movimento destes, de modo a evitar
estragos devido aos movimentos horizontais criados pelo sismo.
Imagem 4 – Danos por
contacto entre edifícios
Cuidados nas instalações do edifício: Devem ser tomadas precauções ao decidir o modo como
as instalações eléctrica e sanitária são construídas e colocadas no edifício para não criar
fraquezas nas paredes e pilares de suporte deste.
Isolamento da Base (Imagem 5): Esta tecnologia envolve a
instalação de ligações de borracha às bases de uma estrutura,
ou perto dessas bases, de forma a amortecer ou anular a força
vertical e horizontal dos movimentos do solo. O resultado: a
energia sísmica é isolada e dissipada por estes grandes
Imagem 5 – “Amortecedores”
"amortecedores", diminuindo significativamente a ressonância
prejudicial que é transmitida através da estrutura. Em vez disso, as borrachas permitem a uma
estrutura deslizar para trás e para a frente com fluidez nas suas fundações. Portanto, se o chão
acelera numa direcção, o contrapeso move-se na outra, e as forças que actuam sobre a
estrutura são amortecidas ou canceladas.
Contrapeso (Imagem 6): Instalada na parte mais alta, uma
esfera suficientemente pesada para fazer movimentar o
prédio no sentido contrário às vibrações do solo atenua o
movimento e permite que o prédio se mantenha 40% mais
estável durante um sismo.
Imagem 6 – Contrapeso
Paredes com amortecedores (Imagem 7): Os
amortecedores absorvem grande parte do impacto
provocado pelos tremores nas paredes. Assim, a
probabilidade do edifício sofrer rachadelas ou abalos
estruturais diminui.
Imagem 7 – Amortecedores de Parede
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Sistemas de Controlo Ativo (Active Control System): O sistema é constituído por três
elementos básicos:
1. Sensores para medir as forças externas e/ou a resposta estrutural;
2. Hardware e software para calcular a força a exercer conforme a força observada
e/ou resposta estrutural;
3. Atuadores para fornecer as forças necessárias.
Assim, no sistema ativo, tem que haver necessariamente uma entrada de
energia externa para alimentar os actuadores. A vantagem de um sistema activo
encontra-se na sua gama muito mais ampla de aplicação, uma vez que as forças de
controlo são estabelecidas com base na excitação e comportamento estrutural real. No
sistema activo, quando apenas são medidas forças externas, diz-se que o sistema de
controlo é aberto. No entanto, quando a resposta estrutural é usada como dado de
entrada, o sistema de controlo está fechado. Em certos casos, ambas as forças
exteriores e as respostas estruturais são utilizadas no sistema, que é denominado de
ciclo aberto-fechado.
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II.3.3 – Aplicação Real: Pirâmide Transamérica, São Francisco (EUA)
A Pirâmide Transamérica foi completada em 1972 e inclui muitas características que a
ajudam a dissipar os abalos ou a resistir a eles. Durante o terramoto de Loma Prieta, de 1989, a
Pirâmide abanou durante mais de um minuto e oscilou 0,3 metros, mas permaneceu intacta.
De seguida, são descritas algumas das características antissísmicas que este edifício contém:
1. Andares superiores flexíveis;
2. Materiais à prova de fogo usados em todo o lado;
3. Todo o equipamento aparafusado às paredes e
concebido para resistir aos movimentos
ascendentes e laterais;
4. A forma em pirâmide possui um baixo centro de
gravidade, que resiste aos abalos;
5. Revestimento de quartzo branco reforçado com
tirantes de aço concebidos para permitir
movimentos laterais;
6. Pisos inferiores rígidos;
7. Pirâmides de suporte de quatro estacas entre o
segundo e o quinto andares;
8. Fundações profundas firmemente presas a rocha
sólida movimentam-se com os tremores de terra.
Imagem 8 – Pirâmide Transamérica
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II.3 – Edifícios já construídos
II.3.1 - Importância e maneiras de os reforçar
Imagem 9 - Faial, 1998: Efeitos do sismo em duas construções adjacentes, uma reforçada e outra não
O reequipamento sísmico de estruturas vulneráveis e antigas é fundamental para a
redução dos riscos. É importante para proteger a vida e bens dos ocupantes do edifício e a
continuidade do seu trabalho. Habitações privadas, redes de infraestruturas e instalações
industriais podem ser reprojectadas e reconstruídas para resistir a sismos. Até monumentos
podem ser reforçados. Em geral, as comunidades com estruturas mais readequadas podem
recuperar mais rapidamente de terramotos.
Se vive ou trabalha em estruturas adaptadas, é menos provável que saia ferido
durante um terramoto. Depois do terramoto, também é mais provável ter uma casa e um
emprego mais rapidamente. As empresas que usam edifícios adaptados tendem a sobreviver
mais a terremotos prejudiciais e conseguem sustentar as interrupções de negócios e não têm
tantas perdas de inventário.
“Uma solução é o isolamento de base, onde um material absorvente é utilizado em
colunas e fundações para amortecer choques. A câmara de Los Angeles foi adaptada com esse
tipo isolamento e a nova Catedral de Los Angeles incluiu-o no seu projecto original. Mario
Cipresso, o administrador da construção, mostra um dos edifícios recentemente renovados e
que está estruturalmente atualizado, adicionando contraventamentos em forma de ‘X’
destinados a transferir todas as forças, triangulando-as através destes.”
“O prédio também tinha algo aplicado chamado "shotcrete". Este processo reforça
paredes existentes com uma nova camada de betão e barras de aço. Shotcrete é uma solução
para as muitas estruturas de alvenaria no mundo em desenvolvimento.”
“O reforço antissísmico traz grandes custos, algo em que os países em
desenvolvimento têm dificuldades. Mas o custo em vidas perdidas em sismos é ainda maior.”
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Conclusão
Assim se conclui que, com edifícios bem preparados, os locais afectados por
terramotos ou derivados conseguem recuperar mais rapidamente das catástrofes do que se
não tivessem estas regras e medidas de segurança. Portugal, embora não seja um alvo muito
comum, também está em risco e o país não se encontra preparado para uma calamidade
destas. Finalmente, sublinha-se uma frase de uma notícia: “quando o sismo chegar, a
Assembleia da República vai ficar de pé, porque recebeu obras de reforço anti-sísmico. Mas os
principais hospitais de Lisboa, por exemplo, deverão colapsar.” (in TVI24)
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Referências Bibliográficas
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Outubro, 2012)
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http://mceer.buffalo.edu/infoservice/Education/soilLessonPlan.asp (acesso a 12 de
Outubro, 2012)
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Último Segundo. Alta tecnologia faz prédios resistentes a terremotos.
http://ultimosegundo.ig.com.br/mundo/alta+tecnologia+faz+predios+resistentes+a+te
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Civil Tech. O Japão e a incrível engenharia anti-sísmica.
http://engciviltech.blogspot.pt/2012/03/o-japao-e-incrivel-engenhariaanti.html(acesso a 17 de Outubro, 2012)
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