Acção Sísmica sobre os Edifícios
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Acção Sísmica sobre os Edifícios Porque razão alguns edifícios caem? Monitora: Catarina Pereira Turma 4 Grupo 2: José Silva Mariana Magalhães Henrique Amaral Ana Rita Silva Bruno Guimarães Sebastião Leite Outubro 2014 Agradecimentos Introdução Os sismos, ou tremores de terra, são catástrofes naturais que não podem ser impedidas e que, conforme a sua intensidade, provocam destruição no local onde acontecem. Estes são causadores de ferimentos, mortes, desalojamentos e danos materiais. Por essa razão, os homens sentiram cada vez mais a necessidade de prevenir, isto é, arranjar forma de, caso surja um sismo, minimizar estragos. Um sismo é, portanto, um fenómeno natural que consiste na oscilação da superfície terrestre, a qual é provocada pela libertação de uma grande quantidade de energia e pela propagação de vibrações transmitidas a uma imensa área. Quanto maior a sua intensidade, maior é a quantidade e a gravidade de consequências provocadas. Estas são diversas, sendo que uma delas é o desabamento de edifícios, o qual causa as suas próprias consequências. Com base nisso, foram sendo idealizadas maneiras de impedir que os edifícios caíssem. É algo que é cada vez mais urgente, principalmente nas zonas nas quais os sismos são mais frequentes. Neste trabalho pretende-se fazer uma breve abordagem às consequências que pequenos erros na realização das estruturas dos edifícios podem acarretar. Para isso, é importante conhecer o conceito de sismo e entender com este movimento vibratório atua na superfície terrestre, perceber a morfologia de um edifício e como cada uma das suas partes estruturais se comporta e, por último, associar a essas características, problemas físicos que nelas podem atuar. O que são sismos? Os sismos, ou tremores de terra, de cujo estudo se ocupa a sismologia, são movimentos vibratórios com origem nas camadas superiores da Terra, provocados pela libertação de energia. A energia sísmica dispensa-se, a partir de foco, em todas as direções e sentidos segundo vibrações que se propagam sucessivamente entre as partículas; originando ondas sísmicas que fazem tremer a Terra. É de notar que, durante um sismo, o terreno vibra na vertical e na horizontal e a superfície terrestre pode ondular tal como o mar. No estudo das ondas sísmicas, podemos destacar dois grandes géneros: as ondas inteiras (designadas por ondas primárias (P) e secundárias (S) e as ondas superficiais (que se dividem nas ondas de Love e de Rayleigh). Em primeiro lugar as ondas P são ondas de maior velocidade de propagação e caraterizam-se por comprimir e distender a matéria. As partículas também vibram na mesma direção da onda sendo, por isso, designadas por ondas longitudinais. Estas ondas incidem verticalmente nas estruturas sendo a sua ação atenuado pela massa destas últimas. Por outro lado, as ondas tipo S deformam os materiais a sua passagem sem alteração do seu volume, isto é, são ondas de corte. Neste caso, as partículas do meio vibram perpendicularmente à direção de propagação da onda, sendo, por isso, designadas ondas transversais. Como incidem transversalmente nos edifícios, a sua ação sobre estes é mais distribuidora. No caso das ondas superficiais, daremos atenção exclusiva às ondas de Love. Estas ondas são muito próximas da caracterização atribuída às ondas tipo S, no entanto, atuam ao nível da superfície. As ondas de Love “varrem” a superfície terrestre, horizontalmente, da direita para a esquerda, segundo movimentos de torsão, atacando, preferencialmente, os alicerces dos prédios. 1 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Zonas de construção não adequadas Para a construção de um novo edifício é necessário ter em conta a zona onde este vai ser construído. Uma escolha inadequada do local poderá causar danos futuros, tanto estruturais, como monetários. A escolha da localização deve, primordialmente, respeitar um conjunto de fatores relacionados com o que é suposto construir. Assim, devemos respeitar fatores: 1. Geológicos - onde se deverá ter em conta: a estabilidade e a inclinação do terreno, a capacidade de carga do subsolo e a tendência a inundações, terramotos e derrocadas; 2. Climáticos – em que se deverá ter em consideração o risco de danos provocados pela chuva, queda de neve granizo, vento excessivo e a humidade. Neste caso, é de apontar que as chuvas intensas e prolongadas que saturaram os terrenos de água proporcionam a ocorrência de instabilidades de vertente (essencialmente deslizamentos ou escorregamentos de terras) e de escarpas (desabamentos e quedas de blocos). A construção de edifícios em zonas de risco tem consequências graves chegando mesmo a ser possível o seu desabamento. É de apontar que os sismos atuam de forma mais percetível em zonas debilitadas como as que foram apontadas acima. 2 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Risco sísmico Por interesses políticos e económicos, a construção de edifícios com capacidade de suportar a ocorrência de sismos tem recebido menos atenção. Razão pela qual continuamos a assistir à construção de edifícios e infraestruturas em locais onde é frequente a ocorrência de sismos, sem as técnicas adequadas para a redução dos riscos. Nas grandes cidades, cuja densidade populacional é bastante grande, situadas em zonas de elevado risco sísmico é fundamental a existência de edifícios resistentes a tais catástrofes naturais. 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 conseguimos entender na figura seguinte). O movimento das placas caracteriza-se pelo deslocamento para Norte da Placa Africana e pelo movimento divergente de direção EW na dorsal atlântica. http://www-ext.lnec.pt/LNEC/DE/NESDE/divulgacao/tectonica.html 3 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Devido a este contexto tectónico, o território português constitui uma zona de sismicidade importante. “A sismicidade observada mostra que a atividade 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.” (http://wwwext.lnec.pt/LNEC/DE/NESDE/divulgacao/tectonica.html) No contexto intraplacas podem salientar-se como zonas sísmicas mais importantes de vido ao histórico de episódios sísmicos que apresentam. São elas: o vale inferior do Tejo, a região do Algarve, o vale submarino do Sado e a região de Moncorvo. Para obtermos uma apreciação geral acerca da sismicidade em Portugal continental, recorremos à carta das isossistas (linhas fechadas que unem pontos de igual intensidade sísmica) máximas observadas até à atualidade, permitindo-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: 4 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios http://www.meteo.pt/sismologia/sismologia.html Sismo de 1 de Novembro de 1755 O sismo de 1 de Novembro de 1755 foi um dos mais destruidores em Portugal, com uma magnitude aproximada de 8.75 da escala de Richter, e foi o resultado dos movimentos interplacas que resultou na destruição quase completa da cidade de Lisboa, especialmente na Zona da Baixa, e atingindo ainda grande parte do litoral do Algarve e Setúbal. 5 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Estrutura de um edifício A construção de um edifício é realizada por um conjunto de fases de um projecto de estruturas da obra em questão, desde a sua concepção inicial até à fase final de dimensionamento, sendo percorridas, ao longo do processo, as fases de Concepção da Solução Estrutural, Pré-Dimensionamento, Análise Sísmica e Dimensionamento. Centremo-nos na questão do Pré-Dimensionamento onde, por uma questão de simplicidade, destacamos três elementos para serem estudados: os pilares, e as lajes. O que são Pilares? Um pilar é um elemento estrutural vertical usado normalmente para receber os esforços verticais de uma construção e transferi-los para outros elementos. Na engenharia estrutural os pilares, em betão armado, são dimensionados para resistir à compressão e à flexão. O betão apesar de praticamente não resistir a esforços de tração, resiste bem a compressão, sendo que em edifícios pequenas dimensões, os pilares são armados com a armadura mínima exigida pelas normas. Os pilares de betão também devem receber uma armadura transversal que serva de apoio à armadura longitudinal para a betonagem e que evite a encurvadura do pilar, quando este estiver em carga. O que são lajes? Uma laje é um elemento de grandes dimensões de superfície plana. É uma peça laminar de betão armado maciço ou aligeirado que faz parte da estrutura de uma construção. Ela serve de divisória e de base aos vários níveis (pisos) da construção. 6 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Edificação em alvenaria VS Edificação em betão armado O que é uma construção em alvenaria? Geralmente usada em edifícios de pequena dimensão, a alvenaria trata se de um processo de construção de estruturas no qual são usados blocos (podem ser de betão, tijolos, entre outros) ligados entre si por argamassa, gesso ou cimento. O que é o Betão Armado? Mais utilizado nos edifícios de tamanhos médios/grandes, o betão armado diferencia se do betão (junção de cimento, areia, pedra e água) pelo facto de ser reforçado com varões de aço, grelhas, fibras ou outros materiais inorgânicos. 7 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Edificação em Alvenaria Edificação em Betão Armado -Pouco tempo de construção; -Fácil manutenção e execução; -Materiais mais baratos; -Simplicidade da construção; Vantagens -Económico. -Fácil adaptação a outros edifícios; -Elevada resistência a abalos (como os sismos); -Durabilidade (aumenta ao longo do tempo). -Os materiais degradam se rapidamente e a sua manutenção é difícil e dispendiosa; Desvantagens -Difícil adaptação a edifícios já construídos; -Elevada vulnerabilidade sísmica. Porquê que estes edifícios caem na ocorrência de um sismo? -Construção lenta; -Se necessária, a demolição do edifício é muito difícil; -Elevado peso; -Mais dispendioso que o método de alvenaria. -Existência de ligações deficientes; -Não reparação de danos anteriores; -Utilização de blocos de baixa qualidade; -Interação da estrutura com paredes não estruturais; -Falta de manutenção da estrutura; -Alterações inadequadas da estrutura. -Irregularidades na construção, que provocam acumulação de esforços. Tabela 1 – Alvenaria VS Betão Armado 8 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Eurocódigo 8 Os eurocódigos são um conjunto de normas europeias que visam unificar critérios e normativas de cálculo e dimensionamento de estruturas (http://www.futureng.pt/eurocodigos). “Os Eurocódigos têm como principal objetivo a harmonização de um conjunto de regras técnicas para o projeto estrutural de edifícios e de outras obras de engenharia civil na Europa, podendo ser também aplicados no resto do mundo.” (http://www1.ipq.pt/PT/Site/Noticias/Documents/eurocodigos_estruturais_201311.p df). Com base no tema deste trabalho, o Eurocódigo 8 é o mais pertinente de todos, visto que se baseia na ação sísmica e construção de edifícios. Este eurocódigo consiste em projetar estruturas sismo-resistentes, sendo que se divide em várias partes: * Parte 1: Regras gerais, ações sísmicas e regras para edifícios (EN1998-1) * Parte 2: Pontes (EN1998-2) * Parte 3: Avaliação e reforço de edifícios (EN1998-3) * Parte 4: Silos, reservatórios e condutas enterradas (EN1998-4) * Parte 5: Fundações, estruturas de contenção e aspetos geotécnicos (EN1998-5) * Parte 6: Torres, mastros e chaminés (EN1998-6) As suas principais finalidades são a proteção da vida dos seres humanos, a diminuição das perdas económicas e a certificação da manutenção das instalações de proteção civil importantes. (http://www.lnec.pt/qpe/eurocodigos/seminario_lisboa/EC8_Parte1_LNEC2010_CC.pd f). 9 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios “O EC8 apresenta uma série de princípios orientadores para a concepção de edifícios tendo em conta o risco sísmico, de forma a dotá-los de resistência a estas acções: * Simplicidade estrutural; * Uniformidade, simetria e redundância; * Resistência e rigidez bidirecional; * Resistência e rigidez de torção; * Comportamento de diafragma ao nível do piso; * Fundações adequadas.” (https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395137410625/TESE.pdf) “Dada a natureza aleatória dos sismos e a limitação dos recursos disponíveis para fazer face aos seus efeitos, a concretização destes objetivos só é parcialmente possível e apenas mensurável em termos probabilísticos. O nível de proteção que pode ser assegurada às diferentes categorias de edifícios, unicamente mensurável em termos probabilísticos, constitui um problema de otimização da distribuição de recursos e, por conseguinte, variável de país para país, dependendo da importância relativa do risco sísmico em relação a riscos de outra origem assim como dos recursos económicos globais.” (http://www2.dec.fct.unl.pt/seccoes/S_Estruturas/Dinamica/mine/EC8_1_Portugues.p df). Uma vez transposto em Portugal, o Eurocódigo 8 exigiu uma atualização da regulamentação portuguesa na área dos edifícios e pontes. Esta norma é aplicável nos vários países da Europa, pelo que cada um tem de adaptar e fortalecer os seus planos no que toca ao reforço, conforme as caraterísticas do país e a atividade sísmica nesse mesmo. (http://www.construir.pt/2007/10/19/eurocdigo-8-exige-esforo-de- actualizao/). 10 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Inércia “A inércia é uma propriedade física da matéria (e segundo a Relatividade, também da energia). Considere um corpo não submetido à ação de forças ou submetido a um conjunto de forças de resultante nula; nesta condição, esse corpo não sofre variação de velocidade. Isto significa que, se está parado, permanece parado, e se está em movimento, permanece em movimento em linha reta e a sua velocidade mantém-se constante. Tal princípio, formulado pela primeira vez por Galileu e, posteriormente, confirmado por Newton, é conhecido como primeiro princípio da Dinâmica (1ª lei de Newton) ou princípio da Inércia”. É ainda de notar que a inércia é característica de todos os corpos dotados de massa. Desta forma, é fácil de entendermos que a força de inércia atua nos edifícios e que tem enorme importância quando estes últimos são atingidos por um sismo. Ora, na prática, se um edifício se encontra em repouso, quando atingido por um sismo, tende – segundo a lei da Inércia – a permanecer em repouso. No entanto, se a intensidade da força que lhe é imposta superar a intensidade da força de Inércia (mesma direção e sentido oposto da primeira força), a estrutura cede e movimenta-se segundo a vibração que lhe foi imposta. Em termos práticos, aquando a construção de um determinado edifício “pretende-se que [este] tenha a capacidade de acumular os movimentos transmitidos pla superfície terrestre”. 11 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios 1. Deformação de um corpo A deformação de um corpo contínuo (ou de uma estrutura) é qualquer mudança da configuração geométrica do mesmo que leve a uma variação da sua forma ou das suas dimensões após a aplicação de uma ação externa (como uma tensão ou variação térmica que altere a forma de um corpo). As formas de aplicação das tensões que causam deformações no corpo ou estrutura em questão podem ocorrer por tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção. a. Tração é a solicitação que tende a alongar o corpo e ocorre no sentido inverso ao apoio ou inércia resultante do sistema de forças. Basicamente, a tração trata-se de utilizar um corpo e exercer sobre ele esforços com sentidos opostos, tracionando-o. Na resistência dos materiais, o objetivo é não permitir que isso aconteça, trabalhando sempre no regime elástico do material. Neste regime, a peça trabalha sem deformar-se permanentemente, pois ao ser encerrada a ação da força, retorna à sua conformação original. Para isso, são feitos cálculos utilizando o limite entre as duas deformações com um coeficiente de segurança para que não haja risco de acidentes, sendo projetada assim uma peça que suporte uma força maior que a mínima. b. Compressão é a solicitação que tende a encurtar o corpo (reduzindo o seu volume) e ocorre no mesmo sentido da reação de apoio ou inércia resultante do sistema de forças. Um exemplo característico de objeto submetido a esforços de compressão são as colunas dos prédios, que recebem, com a mesma direção de seu eixo, as cargas acima delas. c. Cisalhamento ou corte é a solicitação que tende a cortar o corpo e ocorre com o deslocamento paralelo em sentido oposto de duas secções contíguas. 12 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios d. Torção é a deformação de um sólido em que os planos vizinhos (transversais a um eixo comum) sofrem, cada um deles, um deslocamento angular relativo aos outros planos, ou seja, é a deformação que um objeto sofre quando se lhe imprime um movimento de rotação, fazendo-se girar em sentido contrário as suas partes constituintes. e. Em engenharia denomina-se flexão ao tipo de deformação que apresenta um elemento estrutural alongado numa direção perpendicular a seu eixo longitudinal. O termo "alongado" aplica-se quando uma dimensão é dominante frente às outras. Ou seja, trata-se de é um esforço físico onde a deformação ocorre perpendicularmente ao eixo do corpo, paralelamente à força atuante. Um caso típico são as vigas, que estão projetadas para trabalhar, principalmente, por flexão. Igualmente, o conceito de flexão estende-se a elementos estruturais superficiais como placas ou lâminas. 2. Fendilhação A consideração da fendilhação num determinado projeto está relacionada ao tipo de obra e à sua finalidade. Assim, no caso de reservatórios, por exemplo, a formação de fendas de grandes aberturas pode comprometer seriamente a estanqueidade exigida para este tipo de estrutura. Para edifícios correntes, a fissuração excessiva do betão pode acarretar, além de problemas estéticos, problemas de deterioração da estrutura devido à corrosão da armadura. A ocorrência de fendas ao nível do betão armado é inevitável porque tornar-se-ia muito dispendioso. Desta forma, aquando da sua ocorrência, a solução será remendar o estrago para que não se alastrem consequências indesejadas. 13 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Diversas são as circunstâncias que podem acarretar a formação de fendas, podendo-se destacar entre elas: a. Fendas causadas por solicitações devidas ao carregamento, causadas por ações diretas de tração, flexão ou corte, ocorrendo sempre na zona tracionada; b. Fendas causadas por deformações impostas (ações indiretas), tais como retração, variação de temperatura e assentamentos diferenciais. Um caso prático de fendas causadas devido ao carregamento acontece quando um edifício é projetado para um determinado fim (uma habitação, por exemplo) e acaba por adquirir outra finalidade (como a utilização dessa estrutura para escritórios). Ou seja, a resistência dos materiais para o segundo caso teria de ser maior do que para o primeiro. Como essa resistência não é garantida, então podem formar-se fendas no material que constitui o edifício. É ainda de notar que, aquando a abertura de fendas, a parte armada do betão é sujeita a uma exposição ambiental. O limite de abertura de fendas admissível depende da agressividade do ambiente e/ou do tipo de utilização da estrutura e da sensibilidade das armaduras. No que diz respeito à agressividade do ambiente, são destacados três diferentes tipos de ambientes: Ambientes pouco agressivos – ambientes onde a humidade relativa é geralmente baixa e onde os agentes corrosivos são escassos (interior de edifícios); Ambientes moderadamente agressivos – correspondem a ambientes interiores onde a presença de agentes corrosivos seja expectável ou a humidade relativa seja habitualmente elevada, ambiente exteriores sem concentrações especiais de agentes corrosivos, ou ainda águas e solos pouco agressivos; Ambientes muito agressivos – ambientes com presença elevada de agentes corrosivos, líquidos agressivos (caso de uma ETAR), ou solos especialmente agressivos. 14 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Em função do tipo de ambiente será então definido a abertura máxima de fendas admissível. Atingindo este valor máximo especificado, a durabilidade e bom funcionamento da peça de betão fica em causa. 3. Relação com os sismos – então porquê que os edifícios caem? a. Inércia dos blocos de elevadores É fácil entendermos que os abalos causados pelos sismos vão causar estragos nos edifícios. Os movimentos horizontais provocados pelas ondas sísmicas internas S e pelas ondas sísmicas superficiais de Love ao atingirem um edifício podem provocar as deformações descritas anteriormente. Para explicar a situação, imaginemos uma situação hipotética de um edifício de quatro pisos que é atingido por um sismo de elevada intensidade. Por questões de segurança definiu-se que blocos com elevadores se encontram no centro da estrutura e que estes últimos são construídos em betão armando e nunca em alvenaria. Desta forma, caracterizam-se por ser uma zona mais inerte, ou seja, estes blocos têm tendência a resistir ao abalo sísmico, suportando o balanço do restante edifício. Este comportamento torna estas zonas mais sensíveis a deformações caracterizadas pela torção. Quando os materiais que as constituem não são suficientemente resistentes a estes movimentos bruscos, então a estabilidade do edifício fica comprometida e este pode mesmo acabar por cair. b. Compressão dos pilares Neste casos, damos atenção às ondas internas P por serem ondas longitudinais que se caracterizam por comprimir e distender a matéria. Ou seja, ao nível dos edifícios elas atingem-nos verticalmente e os abalos que provocam são atenuados pela massa do corpo em questão. No entanto, pilares com dimensões desfavoráveis ou em condições inadequadas não resistem à compressão que lhes é imposta. Nestes casos, o edifício pode entrar em colapso. 15 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios c. Tração das estruturas Aquando um abalo sísmico, se a intensidade da força de inércia for inferior à intensidade da força sísmica, então o edifício vai abalar de acordo com essa vibração. Quando a estrutura, nessa resposta, admite uma inclinação para a direita, nota-se os pilares mais à direita da estrutura sofrem pela ação da compressão, porque a massa que vão suportar é maior do que aquela que estavam projetados para aguentar. Pelo contrário, a parte esquerda do edifício vai sofrer a ação de duas forças contrárias: a força de inércia (sentido: de cima para baixo) que tende a manter o edifício em repouso e uma outra força de sentido contrário provocada pela movimentação do edifício para a direita. Desta forma, a parte esquerda da estrutura vai ser alongada verticalmente, ou seja, vai ser tracionada. Quando a resistência dos matérias envolvidos na tração não permite que, após o abalo, estes regressem à sua forma original, então a estrutura perde a estabilidade e pode cair. d. Consequências da fendilhação aquando um sismo É frequente ocorrerem fendas nas paredes dos edifícios provocadas pela retração do betão devido à variação de temperatura. Consequências destas são inevitáveis porque seria economicamente dispendioso impedir estas reações, como abordamos em tópicos anteriores. Desta forma, se um edifício apresenta fendas, estas vão ter enorme importância durante a ocorrência de um sismo, porque a força que é imposta à estrutura juntamente com a força de inércia que atua em sentido contrário ao da primeira podem provocar a expansão das fendas associada a movimentos de tração e torção dos materiais anteriormente danificados. Se a dimensão das fendas ultrapassar o seu limite de abertura, então o edifício pode entrar colapso. 16 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios Conclusão A partir da abordagem realizada nas páginas anteriores, conclui-se que erros na concretização das estruturas ou falta de manutenção das mesmas trazem consequências que podem chegar mesmo à cada do edifício em questão. À fendilhação atribui-segurando destaque porque o betão, quando abre fendas, possibilita à armadura o contacto com o meio ambiente de tal modo que possam ocorrer reações químicas responsáveis pela degradação do material em questão. Também as deformações adquirem um papel primordial neste contexto. Corpos que sofrem deformações exageradas podem comprometer a uniformidade e – por consequência – a estabilidade de um edifício, como os exemplos apresentados em tópicos anteriores. Em suma, é de máxima importância o trabalho pormenorizado e calculista antes da construção de uma determinada estrutura, bem como da sua constante manutenção. É necessária a constante engenharia em todo esse processo, porque enquanto um arquiteto procura a beleza, um Engenheiro calcula a essência. 17 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios
