Apoios pendulares com atrito

• Propriedades

Os apoios pendulares com atrito (Figura 2.37) são dispositivos deslizantes que são instalados entre a estrutura e as fundações para a proteger das acções sísmicas. Estes apoios baseiam-se no princípio do movimento de um pêndulo, o que lhe confere a capacidade de restituição da posição inicial.

Figura 2.37 - Aparelho de apoio FPS (Earthquake Protection System, 2003)

Os apoios FPS (Friction Pendulum Systems) são constituídos por duas peças deslizantes. Uma delas contêm uma extremidade de aço inoxidável articulada, revestida por Teflon ou por outro material compósito com baixo coeficiente de atrito e elevada capacidade de suporte, que desliza sobre a superfície polida côncava (esférica) que constitui a segunda peça (Figueiredo, 2007).

Através da Figura 2.38 é possível compreender a geometria do apoio FPS e o esquema de movimentação do mesmo.

Figura 2.38 - Principais componentes de um apoio FPS (Zayas e Mahin, 1988) e movimentação do aparelho (Earthquake Protection Systems, 2003)

As estruturas isoladas com apoios FPS descrevem movimentos pendulares de pequena amplitude, quando sujeitas a uma acção sísmica, como se observa na Figura 2.39. As peças articuladas dos aparelhos movimentam-se sobre as superfícies côncavas.

Figura 2.39 - Movimento de uma estrutura isolada com apoios FPS (Earthquake Protection Systems, 2003)

Ao contrário dos aparelhos elastoméricos, nos aparelhos FPS a dissipação de energia é realizada por atrito. A força de atrito cinético, gerada na superfície de deslizamento é responsável pela dissipação de energia proveniente do sismo. Os apoios FPS atingem níveis de amortecimento da ordem dos 10 a 40% do amortecimento crítico (Earthquake Protection Systems, 2003).

Como referido anteriormente os aparelhos FPS apresentam um mecanismo de funcionamento semelhante a um pêndulo. Após sofrerem um deslocamento devido a uma acção sísmica, a estrutura volta à sua posição inicial devido ao peso da estrutura e à geometria esférica da superfície de deslizamento dos dispositivos isoladores (Söhne, 2005).

Os dispositivos FPS apresentam uma característica única em relação a outros tipos de apoios. A rigidez horizontal dos apoios FPS é directamente proporcional ao peso da superestrutura (Zayas e

Mahin, 1988). Este facto é uma grande vantagem na resposta duma estrutura a uma acção sísmica, reduzindo os efeitos de torção produzidos por estruturas assimétricas, pois o centro de rigidez do sistema de isolamento automaticamente coincide com o centro de massa da superestrutura (Earthquake Protection Systems, 2003).

Como desvantagem dos dispositivos FPS destaca-se a necessidade de uma manutenção e cuidados especiais com a superfície de deslizamento e o facto de se associar uma componente vertical aos deslocamentos horizontais (Azevedo e Guerreiro, 1994).

Quando a força devida a um sismo é inferior à força gerada pelo atrito estático ao nível do sistema de isolamento, a estrutura responde como uma estrutura convencional de base fixa, com o seu período de vibração “não-isolada”. Uma vez que a força devida a um sismo supere a força gerada pelo atrito, a estrutura responde com um período de vibração “isolada”, com a resposta dinâmica e o amortecimento controlados pelas características do dispositivo.

Os apoios FPS, tal como a maioria dos apoios utilizados no isolamento de base de edifícios, apresentam um comportamento não linear relativamente a forças horizontais, como se pode observar através da sua relação força-deslocamento típica, ilustrada na Figura 2.40.

Figura 2.40 - Relação força-deslocamento característicos de um apoio FPS quando submetido a carregamentos laterais (Earthquake Protection Systems, 2003)

Os dispositivos FPS oferecem inúmeras vantagens em relação aos apoios elastoméricos no que diz respeito ao seu processo de instalação (Earthquake Protection Systems, 2003):

• O dispositivo não necessita de placas de base superior ou inferior. Assim economiza custos de material, despesas de manutenção e tempo de instalação;

• A reduzida altura dos aparelhos FPS permite que estes sejam instalados em locais com algumas restrições de espaço, economizando custos de fundação e custos e tempo de paragens na construção.

• Modelo de Comportamento

O funcionamento de um apoio FPS apresenta 2 fases, a fase estática e a fase dinâmica. A fase estática ocorre enquanto a força desenvolvida no apoio devido a um sismo não é suficiente para vencer a força de atrito estática e começar o movimento. Após a força de atrito estática ser vencida, o apoio atinge a fase dinâmica, onde ocorre a sobreposição do efeito de geração da força de atrito e do desenvolvimento da força de restituição.

A Figura 2.41 representa um modelo esquemático do comportamento de um apoio pendular com atrito e a expressão da força desenvolvida no apoio para ambas as fases referidas anteriormente.

Figura 2.41 - Modelo esquemático do funcionamento de um apoio FPS e expressão da força desenvolvida no apoio para a fase estática e dinâmica (Figueiredo, 2007)

A rigidez lateral do apoio FPS (Klateral), que promove a geração da força de restituição do sistema de isolamento, e traduzida pela equação (2.16).

=>?@)A?B = C_D (2.16)

Em que,

P Carga vertical suportada pelo apoio R Raio de curvatura da superfície esférica.

Como mencionado anteriormente, o facto da rigidez lateral do apoio FPS ser directamente proporcional ao peso da superestrutura, traz vantagens na resposta duma estrutura a uma acção lateral, reduzindo os efeitos de torção produzidos por estruturas assimétricas.

A frequência de vibração própria de um apoio FPS é controlada pela escolha do raio de curvatura da superfície de deslizamento, R, como se observa pela dedução da equação (2.17).

E = ₊&F_G= ₊HIJ I K 64 E = +& L D (2.17) Em que,

K Rigidez horizontal do sistema de isolamento

M Massa total da superestrutura

O comportamento dos dispositivos FPS é controlado pela definição do raio de curvatura da superfície de deslizamento e do coeficiente de atrito (estático e cinético).

A Figura 2.42 ilustra uma vista unidireccional de um dispositivo FPS com um raio de curvatura, R, e uma carga aplicada P, sujeita a uma força lateral F, na extremidade articulada deslizante com deslocamento u. As reacções na superfície esférica são a força normal S e a reacção de atrito f. O coeficiente de atrito µ, é geralmente obtido em função de diversos factores, sendo a velocidade e a pressão os principais (Mosqueda et al., 2004).

Figura 2.42 - Diagrama de corpo livre de um apoio FPS (Mosqueda et al., 2004)

Assumindo que o atrito pode ser modelado como o atrito de Coulomb, onde é o coeficiente de atrito. O equilíbrio das forças apresentadas na Figura 2.42 resulta na seguinte expressão que relaciona a força e o deslocamento:

( ) =C_D∗ + M ∗ N ∗ ( ) = A+ O (2.18)

Em que,

( ) Sinal da velocidade de deslizamento

Na equação (2.18), a primeira parcela corresponde à componente do pêndulo, Fr, e a segunda parcela

diz respeito à componente devida ao atrito, Ff.

2.2.5 SITUAÇÃO EM PORTUGAL E NO MUNDO

O isolamento sísmico de estruturas é uma técnica ainda pouco explorada em Portugal. Apesar de já se contabilizarem algumas aplicações em pontes, como na Ponte Salgueiro Maia em Santarém. Quanto aos edifícios apenas existe em Portugal um Complexo Integrado de Saúde construído em Lisboa, na zona de Benfica (ver Figura 2.43).

O isolamento sísmico do complexo referido, composto por um hospital e uma residência de terceira idade, foi garantido através de sistemas de isolamento de base constituídos por apoios cilíndricos de borracha de alto amortecimento (High Damping Rubber Bearing – HDRB), produzidos pela FIP Industriale (Guerreiro et al., 2005). Foram aplicados no total 315 apoios do tipo HDRB (195 no

hospital e 120 na residência de terceira idade) com diâmetros compreendidos entre 400 e 900 mm e constituídos por dois compostos de borracha distintos, um com módulo de distorção de 0,8 MPa e outro com 1,4 MPa.

Figura 2.43 - Complexo integrado de saúde, Benfica – Hospital da Luz e residência da terceira idade (Azevedo e Guerreiro, 2007)

A tecnologia de isolamento sísmico de base denota já alguma expressão a nível mundial, encontrando- se na vanguarda desta técnica países como o Japão, os Estados Unidos da América, a Itália e a Nova Zelândia. Apresentam-se de seguida alguns exemplos de aplicações de isolamento sísmico no mundo.

• Foothill Communities Law and Justice Center

A Figura 2.44 ilustra este edifício, o qual se localiza nos Estados Unidos da América e foi a primeira estrutura protegida sismicamente por um sistema de isolamento de base, na qual foram instalados 98 apoios HDRB (Kelly, 1998).

Figura 2.44 - Foothill Communities Law and justice Center – o primeiro edifício com isolamento de base nos EUA, 1985 (Guerreiro, 2003)

• U.S. Court of Appeals

Este edifício (Figura 2.45) situa-se em São Francisco nos Estados Unidos da América e apresenta um elevado valor histórico e arquitectónico. Foi danificado em 1989 e em 1994 foram utilizados 256 apoios FPS para proteger este edifício contra a acção sísmica.

Figura 2.45 - U.S. Court of Appeals, San Franciso (a) pormenor do apoio FPS, (b) edifício com isolamento de base (Symans, 2010)

• Edifício da Telecom (Itália)

O Edifício da Telecom (Figura 2.46), localiza-se em Ancona na Itália. Este Edifício é composto por cinco edifícios de 7 pisos, no qual foram utilizados apoios do tipo HDRB para o isolar sismicamente.

Figura 2.46 - (a) Edifício da Telecom em fase construtiva (b) detalhe dos apoios HDRB utilizados (Marioni A., 1998)

• Aeroporto Ataturk

O aeroporto de Ataturk, (ver Figura 2.47), localiza-se em Istambul na Turquia. O aeroporto foi sujeito a um sismo em 1999 quando ainda estava em fase de construção, do qual resultaram alguns danos nas colunas. Após o incidente foi decidido utilizar isolamento sísmico, apenas ao nível da cobertura. Foram utilizados 130 dispositivos do tipo FPS, os quais foram instalados no topo das colunas, a cerca de 7 m acima do solo.