C ONCEITO DE I SOLAMENTO S ÍSMICO DE B ASE

O isolamento sísmico é uma técnica utilizada para reduzir a vulnerabilidade sísmica das estruturas cujo conceito consiste na separação parcial do movimento da estrutura relativamente ao movimento do solo, com o intuito de reduzir a transmissão das acelerações horizontais do solo à estrutura. Essa separação é garantida através da interposição de aparelhos de apoio, com grande flexibilidade horizontal, entre a estrutura a proteger e o solo, permitindo deste modo a criação da superfície de descontinuidade pretendida. A localização dos aparelhos de apoio deve permitir a maior protecção possível da estrutura sendo assim geralmente situados na proximidade da base da estrutura, acima dos elementos de fundação. Por este motivo esta técnica é vulgarmente referida por isolamento de base.

O conjunto de dispositivos que permite gerar a superfície de descontinuidade, ou superfície de isolamento, designa-se por sistema de isolamento. Conforme referido, o sistema de isolamento deve permitir o movimento entre o solo e a estrutura, promovendo ainda a transmissão das cargas verticais para as fundações. A parte da estrutura localizada acima da superfície de isolamento é designada por superstrutura e representa a componente estrutural que se encontra isolada. A restante parcela estrutural, ou seja, a parte localizada abaixo da superfície de isolamento, incluindo as fundações, é denominada por substrutura.

A origem do conceito de isolamento sísmico remonta ao século XV mas a discussão da aplicação de sistemas de isolamento de base para a protecção de estruturas só se iniciou no final da década de 1970 (Azevedo e Guerreiro,1994). Apresenta-se como uma metodologia inovadora na área da protecção sísmica de estruturas pois atinge esse fim através da limitação do efeito da acção sísmica sobre a estrutura, em vez de procurar resistir-lhe.

A principal implicação resultante da introdução de uma superfície de descontinuidade horizontal na base de uma estrutura prende-se com a redução da sua frequência própria de vibração. A mudança produzida no valor da frequência fundamental da estrutura reveste-se de extrema importância sendo mesmo considerada por alguns autores como uma medida da eficácia de um sistema de isolamento sísmico (Skinner et al.,1993). Outra propriedade importante que resulta da

estrutura. Deste modo, os aparelhos isoladores permitem a dissipação de grande parte da energia proveniente dos sismos, evitando que esta ocorra através de danos nos elementos estruturais e reduzindo a necessidade de ductilidade nos mesmos.

Com o intuito de se explicitar o efeito do isolamento sísmico na reposta dinâmica das estruturas dos edifícios apresenta-se na Figura 1, com base na configuração típica dos espectros de resposta de acelerações e de deslocamentos (para níveis de amortecimento de 2, 5 e 10% do amortecimento crítico), a representação esquemática das principais mudanças provocadas pelo aumento da flexibilidade da estrutura. Através da Figura 1(a) é possível verificar que a redução da frequência própria de vibração de uma estrutura, induzida pelo isolamento sísmico, provoca uma grande redução no valor das acelerações impostas pelo sismo e, consequentemente, dos esforços originados pela acção sísmica. Por outro lado, conforme ilustrado na Figura 1(b), a diminuição da frequência fundamental provoca um aumento considerável dos deslocamentos. Convém referir que o facto dos sistemas de isolamento promoverem níveis de amortecimento usualmente superiores a 10% do amortecimento crítico funciona como factor atenuador das acelerações e dos deslocamentos induzidos pelas acções sísmicas sendo, no entanto, mais relevante para a redução dos deslocamentos. Se as estruturas fossem isoladas com sistemas sem amortecimento poderiam atingir deslocamentos até 1,0m durante a ocorrência de sismos de grande magnitude. O amortecimento permite reduzir esse valor para grandezas entre 5 e 40cm (Skinner et al.,1993).

Figura 1 – Efeito da redução da frequência própria da estrutura e do aumento do amortecimento nos valores das (a) acelerações e (b) deslocamentos induzidos pela acção sísmica.

Embora o aumento da flexibilidade estrutural conduza à ocorrência de deslocamento elevados, as deformações cingem-se ao sistema de isolamento permitindo que os elementos constituintes da superstrutura permaneçam no domínio elástico. A manutenção, ou mesmo a substituição, dos aparelhos isoladores pode ser facilmente realizada quando comparada com a relativa aos elementos estruturais.

Na Figura 2(a) pode-se verificar o padrão de deformação de um edifício de base fixa, durante a ocorrência de um sismo, que é caracterizado pelo elevado grau de deformação evidenciado, que provoca a fendilhação dos elementos estruturais. Na estrutura isolada, presente na Figura 2(b), os deslocamentos laterais concentram-se ao nível dos aparelhos isoladores sendo que a superstrutura

0,0

não evidencia deformações apreciáveis, apresentando um comportamento assimilável ao de um corpo rígido.

Figura 2 – Resposta esquemática de uma estrutura de base fixa e de base isolada perante actuação sísmica.

Uma estrutura muito flexível é caracterizada por uma frequência própria de vibração baixa permitindo, deste modo, que as acelerações induzidas pelos sismos sejam também reduzidas. No entanto, devido à sua baixa rigidez estrutural, os deslocamentos relativos que se registam entre os pisos são muito elevados. Por outro lado, uma estrutura muito rígida denota deformações pouco significativas mas apresenta acelerações sísmicas muito elevadas. A técnica de isolamento sísmico permite tirar partido das vantagens inerentes a ambos os casos extremos referidos, reduzindo tanto os deslocamentos entre pisos como as acelerações sísmicas. Contudo, não se deve deduzir a partir deste facto que a aplicação do isolamento sísmico em estruturas flexíveis se revele adequada, sendo este aspecto discutido, com maior pormenor, numa fase posterior do presente capítulo.

Outro grande benefício resultante da aplicação do isolamento sísmico de edifícios deve-se à mudança registada na frequência fundamental da estrutura que, por se passar a situar fora do intervalo das frequências de excitação predominantes das acções sísmicas, permite evitar a ocorrência de fenómenos de ressonância, ou seja, da proximidade entre a frequência da acção e a frequência da estrutura.

Figura 3 – Intervalo usual das frequências de excitação das acções sísmicas, com maior conteúdo energético, e gama de frequências próprias de estruturas de base fixa (Guerreiro,2006(a)).

As deformações sofridas por uma estrutura isolada ocorrem principalmente ao nível do sistema de isolamento e são principalmente derivadas da contribuição dos modos de vibração fundamentais, ou seja, dos modos referentes às deformações laterais dos dispositivos isoladores e à torção global, ao nível do plano de isolamento, em que a superstrutura permanece essencialmente rígida. Dado que a deformação da superstrutura se deve exclusivamente aos modos superiores (de frequências elevadas), que não apresentam uma participação significativa na resposta de um estrutura isolada, a

Aparelhos Isoladores

(a) (b)

0 1 2 3 4 5

Acção Sísmica

Estruturas de Base Fixa

Frequência [Hz]

Estruturas com Isolamento

aplicação do isolamento sísmico permite minimizar, ou até mesmo eliminar, os deslocamentos relativos ocorridos entre pisos. Este aspecto é de grande importância pois os danos normalmente registados nos elementos estruturais e não estruturais dos edifícios, durante um sismo, estão relacionados com a ocorrência de deslocamentos relativos entre pisos consideráveis.

Os elementos estruturais de uma estrutura isolada exibem esforços inferiores aos registados no caso da estrutura apresentar base fixa. Este aspecto é garantido, pelas razões já referidas, devido ao facto dos sistemas de isolamento permitirem a limitação do esforço de corte basal e, consequentemente, dos esforços de corte transmitidos à superstrutura. Deste modo, os elementos que compõem a superstrutura do edifício isolado podem ser realizados com secções transversais e taxas de armadura menores relativamente às necessárias para a estrutura de base fixa.

O dimensionamento adequado de um sistema de isolamento permite ainda a redução dos efeitos de torção estruturais (rotações segundo o eixo vertical), originados pelas excentricidades próprias da superstrutura, fazendo coincidir a projecção vertical do centro de massa da mesma com o centro de rigidez do sistema de isolamento.