Robustez na Análise Sísmica

Devido ao seu potencial destrutivo e às grandes consequências sociais, financeiras e políticas que daí advêm, a acção sísmica tem sido uma das áreas onde se têm desenvolvido mais esforços para quantificar a robustez e a resiliência das estruturas e comunidades, respectivamente.

Ainda que os objectivos e as práticas associadas à resiliência sejam os referidos anteriormente, não existiam metodologias práticas para quantificar a resiliência no caso da acção sísmica. Em [7] são desenvolvidas ferramentas para quantificar a capacidade resiliente de várias comunidades. São construídos diversos diagramas que indicam o caminho para em primeiro lugar, se avaliar essa capacidade e, posteriormente, para poder ser melhorada caso seja esse o caso. Segundo os autores, a capacidade de um sistema resistir a eventos sísmicos com um mínimo de consequências depende das suas características em termos de: (1) Robustez; (2) Redundância; (3) Resposta; (4) Rapidez. A avaliação dos dois primeiros pontos só pode ser realizada considerando explicitamente o risco. A definição das classes de resiliência são fundamentais para a resposta e rapidez de intervenção. Assim, é fundamental definir métodos de avaliação de classes de resiliência para que seja possível avaliar a resposta e a rapidez de intervenção.

Na Engenharia Sísmica, o colapso evidencia a incapacidade do sistema estrutural para suster as cargas gravíticas quando sujeito à excitação sísmica [26], quer seja durante o evento inicial ou durante réplicas.

O termo colapso progressivo refere-se à situação em que uma falha localizada (um elemento ou conjunto restrito de elementos) se propaga e acaba por provocar o colapso de toda a estrutura [26].

Muitos dos conceitos referentes a um projecto adequado à resistência à acção sísmica, são também conceitos chave na robustez estrutural, como sejam a redundância, capacidade de absorção de energia, ductilidade e capacidade da estrutura em suster danos [42]. Assim, é seguro afirmar que as estruturas correctamente dimensionadas para fazer face à acção sísmica terão, em geral, maior robustez.

No entanto, a ductilidade, redundância, capacidade de absorção de energia, entre outros factores não são, por si só, garantia de uma boa robustez, uma vez que todos eles podem ter influência positiva ou negativa, dependendo do sistema em estudo. Estes aspectos são discutidos em [30], onde são discutidos alguns casos em que se pode verificar a incapacidade de generalização dos efeitos (positivos) destas características na capacidade resistente de um sistema estrutural.

A avaliação do risco sísmico e do risco pós-sismo requer uma cuidadosa quantificação do desempenho estrutural considerando os danos causados, directa ou indirectamente pelo sismo [7].

É nesta área que se coloca maior esforço no desenvolvimento de novas metodologias de quantificação da robustez estrutural. Isto é, a integração no estudo da robustez de parâmetros específicos de cada estrutura, tais como a sua resposta quando sujeita a acções inesperadas ou extremas, a sua ductilidade e redundância, entre outros, constitui um dos maiores desafios.

De um modo simplificado, o dano estrutural pode ser simulado com a remoção de um elemento principal [42]. Efectuando seguidamente as verificações de segurança na estrutura remanescente. Esta metodologia foi aplicada por [51] a diferentes estruturas. Desta forma, se a estrutura verificar a segurança aos ELU, na ausência desse elemento, por um período de tempo que permita a reparação, a verificação foi realizada com sucesso.

A principal limitação desta metodologia prende-se com a definição das consequências do dano de um modo binário: ou há consequências ou não [42]. No entanto, muitas vezes, o fundamento desta análise não é evitar as consequências mas sim limitá-las a níveis que se definam como aceitáveis, o que não é possível de ser executado com recurso a estes índices. Estas metodologias recorrem geralmente ao métodos convencionais de verificação da segurança e não têm em conta o comportamento da estrutura sem o elemento removido. Segundo [30], este facto acarreta dois inconvenientes. Em primeiro lugar, uma vez que são ignorados os efeitos não-lineares da remoção do elementos, é negligenciada a capacidade dúctil da estrutura e, consequentemente, alguns benefícios que daí podem surgir. Desta forma, muitos elementos são considerados como elementos-chave sendo, na realidade, excessiva essa consideração. Por outro lado, os regulamentos actuais, que incluem este método para verificação da robustez (e.g. BS5950 [6] para dimensionamento de estruturas metálicas), permitem que na zona em que se simula a remoção dos elementos o dano seja substancial mas não apresentam, recomendações para os danos que se verificam noutras áreas da estrutura, sendo que caso se verifiquem danos noutras áreas é possível que ocorra colapso progressivo.

Por outro lado, quando se assume que a resposta estrutural após a remoção de um dos elementos pode ser bem determinada através de uma análise estática, despreza-se a contribuição dos efeitos dinâmicos associados a tal acção e desprezam-se os fenómenos histeréticos que inevitavelmente ocorrem e que apenas podem ser contabilizados através da

2.3. ROBUSTEZ ESTRUTURAL 23

execucação de uma análise com carácter cíclico, isto é, uma análise dinâmica. Os efeitos dinâmicos associados ao colapso de um elemento podem ser decisivos na propagação dos danos pela estrutura e, consequentemente, na ocorrência ou não de colapso progressivo. Este aspecto é abordado na Secção 2.3.4.

Ainda assim, a simplicidade destes métodos quando comparados com os restantes métodos de avaliação da robustez estrutural faz com que a sua utilização seja bastante frequente neste tipo de estudos.

É de referir que, até ao momento, quase todos os estudos consideram que a estrutura se encontra na situação ideal. Isto é, além do elemento que se remove e que, desta forma, é considerado como tendo contribuição nula para a resistência estrutural, todos os restantes elementos são considerados como estando em condições perfeitas.

Após a ocorrência de um sismo é expectável que alguns elementos estejam danificados e, consequentemente, tenham a capacidade resistente bastante diminuída. Assim, a sua capacidade para resistirem a um segundo sismo é uma incógnita. Este facto tem sido verificado nos últimos eventos sísmicos de grande magnitude. Por exemplo no Haiti (2010), a destruição e, consequentes perdas, foram em grande parte provocadas pelas réplicas, ao invés de serem provocadas pelo abalo inicial. Entende-se aqui por réplica, um sismo que se segue a outro sem que entre os dois tenha decorrido tempo suficiente para evacuar os locais e precaver eventuais colapsos (muito menos para efectuar a reparação das estruturas danificadas).

Em alternativa a este método, têm vindo a ser desenvolvidas metodologias de análise que permitam considerar que as estruturas se encontram debilitadas. Um método bastante eficaz consiste em:

1. Efectuar uma Análise Dinâmica Não-linear da estrutura (é expectável que no final desta análise a estrutura se encontre fora do regime elástico)

2. Fazer a remoção de um dos elementos

3. Executar outra Análise Dinâmica Não-linear, agora da estrutura remanescente no estado em que ficou no final da 1a_análise

Caso não seja verificado o colapso progressivo no final da 2a _{análise dinâmica, então}

considera-se que a estrutura terá condições para ser evacuada, cumprindo com o objectivo deste estudo (análise efectuada com sucesso).

Este método permite também incluir na análise os efeitos dinâmicos decorrentes da remoção de um dos elementos estruturais.