AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE ISOLAMENTO PARA O CONTROLE DE VIBRAÇÕES DE EDIFÍCIOS SUBMETIDOS A EXCITAÇÕES DE BASE
Nelson Andrés Ortiz Cano
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil.
Orientadores: Carlos Magluta Ney Roitman
Rio de Janeiro Dezembro de 2013
AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE ISOLAMENTO PARA O CONTROLE DE VIBRAÇÕES DE EDIFÍCIOS SUBMETIDOS A EXCITAÇÕES DE BASE
Nelson Andrés Ortiz Cano
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Carlos Magluta, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Ney Roitman, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Daniel Alves Castello, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Eliane Maria Lopes Carvalho, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Paulo Batista Gonçalves, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL DEZEMBRO DE 2013
Cano, Nelson Andrés Ortiz
Avaliação de sistemas de isolamento para o controle de vibrações de edifícios submetidos a excitações de base/
Nelson Andrés Ortiz Cano. – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2013.
XIX, 138 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Carlos Magluta Ney Roitman
Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2013.
Referências Bibliográficas: p. 128-133.
1. Sistemas de isolamento de base. 2. Suportes de elastômero. 3. Suportes rolantes. I. Magluta, Carlos et al.
II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.
A minha Mãe (in memoriam) A minha esposa Carol, pelo seu infinito amor A meu Pai e irmãos, pelo apoio incondicional
A ciência não é uma perseguição desalmada de informação objetiva, é uma atividade humana criativa.
Stephen Jay Gould
Agradecimentos
Aos professores Carlos Magluta e Ney Roitman pela orientação e disposição, sobretudo por acreditar firmemente num final feliz deste trabalho.
A todos meus amigos, Flavia, Tamara, Diego, Anderson, Mariana, Thiago, Edilson, Tatiana, William, Santiago, Eduardo, Dimas, Fabrício, Saulo, Shirley, Natasha, Juan, Carlos, Sergio, Sandra, Gisa pela amizade fortalecida durante minha estadia no Brasil.
Ao casal Anderson Ramos e Michelle de Oliveira, pela amizade e suporte desde o primeiro instante em que cheguei ao Rio de Janeiro.
Ao pessoal técnico e administrativo do LABEST, Flavio, Flavinho, Seu Helder, Arthur, Lino e Ricardo, Cássia, Sandra pela ajuda na construção dos modelos e colaboração nos procedimentos administrativos.
Ao CNPq pelo suporte financeiro.
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE ISOLAMENTO PARA O CONTROLE DE VIBRAÇÕES DE EDIFÍCIOS SUBMETIDOS A EXCITAÇÕES DE BASE
Nelson Andrés Ortiz Cano Dezembro/2013 Orientadores: Carlos Magluta
Ney Roitman
Programa: Engenharia Civil
Este trabalho apresenta a validação de um modelo numérico desenvolvido para a análise sísmica de edifícios com sistemas de isolamento de base através de suportes de elastômero e suportes rolantes. Diferentes metodologias de análise experimental permitiram caracterizar os sistemas de isolamento propostos, bem como o modelo físico de um edifício. A fim de validar as equações de movimento as respostas numéricas e experimentais obtidas através de testes com excitação de base do modelo físico, com e sem sistemas isolamento, foram correlacionadas. Os resultados são apresentados em termos dos parâmetros modais, das funções de resposta em frequência (FRFs) e das séries temporais. A excelente concordância entre os resultados experimentais e numéricos demonstra o adequado uso do modelo numérico desenvolvido. Finalmente, através de um estudo paramétrico avalia-se o desempenho dos sistemas de proteção sísmica confeccionados.
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
ASSESSMENT OF ISOLATION SYSTEMS FOR VIBRATIONS CONTROL OF BUILDINGS SUBJECTED TO BASE EXCITATIONS
Nelson Andrés Ortiz Cano December/2013 Advisors: Carlos Magluta
Ney Roitman
Department: Civil Engineering
This work presents the validation of a numerical model developed for seismic analysis of buildings with base isolation systems through elastomeric and roller bearings. Several experimental methodologies allow characterizing the proposed isolation systems, as well as the physical model of the building. In order to validate the motion equations, both numerical and base excitation testing responses of the physical model with and without base isolation system were correlated. The results are presented in terms of modal parameters, frequency response functions (FRFs) and time history.
The excellent agreement between numerical and experimental results proves the adequate use of the numerical model developed. Finally, the performance of the seismic protection systems constructed is assessed through a parametric study.
Índice
Índice ... ix
Lista de Figuras ... xi
Lista de Tabelas ... xiv
Lista de Símbolos ... xv
1. Introdução ... 1
1.1 Aspectos gerais ... 1
1.2 Escopo do trabalho ... 3
2. Sistemas de isolamento de base (BISS) ... 5
2.1 Sistemas de isolamento através de suportes de elastômero e suportes deslizantes ... 6
2.1.1. - Bloco de neoprene reforçado - Laminated Rubber Bearing (LRB) ... 6
2.1.2. - Sistema de atrito puro-Pure friction system (P-F) ... 7
2.1.3. - Sistema de apoio pendular com atrito –Friction pendulum system (FPS) ... 8
2.1.4. - Isolador elástico com atrito – Resilient - friction base Isolator (R-FBI) ... 9
2.1.5. - Isolador “electicite de france” - Electric de france system (EDF) .. 10
2.1.6. - Isolador de Nova Zelândia – New zeland bearing system (NZ) ... 11
2.1.7. - Isolador deslizante elástico com atrito–Sliding resilient-friction (SR-F) ... 12
2.2 Sistemas de Isolamento através de suportes rolantes ... 12
2.3 Estado da arte dos sistemas de isolamento ... 14
2.4 Aplicações dos sistemas de isolamento ... 17
3. Fundamentos teóricos ... 21
3.1 Terremotos ... 21
3.2 Excitações sísmicas ... 22
3.3 Parâmetros de medida dos terremotos ... 26
3.3.1. - Definições básicas ... 26
3.3.2. - Escalas de medida ... 27
3.4 Estruturas sob ação de excitações sísmicas ... 29
3.4.1. Edifícios de base fixa (E) sob excitação sísmica ... 30
3.4.2. Edifícios com suportes de elastômero (E+S.E) sob excitação sísmica ... 36
3.4.3. Edifícios com suportes rolantes (E+S.R) sob excitação sísmica ... 40
3.4.4. Força de restituição nos suportes de rolantes ... 42
4. Sistemas de Excitação e Ajuste Numérico do Modelo Físico do Edifício... 49
4.1 Sistema de Excitação ... 49
4.1.1. Verificação do sistema de medição e desempenho do excitador ... 51
4.1.2. Caracterização do sistema de excitação ... 55
4.2 Modelo físico do edifício ... 58
4.2.1. Identificação dos parâmetros modais do pórtico ... 61
4.2.2. Ajuste do modelo numérico do edifício ... 63
5. Caracterização dos Sistemas de Isolamento ... 71
5.1 Sistemas de isolamento por suportes de elastômero (S.E) ... 73
5.1.1. Rigidez horizontal e vertical dos S.E ... 73
5.1.2. Identificação dos parâmetros modais do S.E... 74
5.1.3. Funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema de S.E. ... 76
5.2 Sistemas de isolamento por suportes rolantes (S.R) ... 78
5.2.1. Caracterização da força de restituição ... 79
5.2.2. Identificação do coeficiente de atrito de rolamento ... 80
5.2.3. Testes de excitação de base no sistema de S.R ... 83
6. Edifícios com Sistemas de Isolamento Sísmico ... 88
6.1 Edifício com suportes de elastômero (E+S.E) ... 89
6.2 Modelo numérico simplificado ... 96
6.3 Ajuste numérico do edifício ... 100
6.4 Correlação numérica do sistema E+S.E ... 103
6.5 Correlação numérica do sistema E+S.R ... 106
7. Análise Sísmica e Estudo Paramétrico ... 112
8. Considerações finais ... 124
8.1 Considerações Finais ... 124
8.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 127
Referências Bibliográficas ... 128
APÊNDICE A ... 134
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Bloco de neoprene reforçado com placas de aço (LRB) ... 7
Figura 2.2 – Sistema de atrito puro (P-F) ... 8
Figura 2.3 – Sistema de apoio pendular com atrito (FPS) ... 9
Figura 2.4 – Isolador elástico com atrito (R-FBI) ... 10
Figura 2.5 – Isolador “electricite de france” (EDF) ... 11
Figura 2.6 – O sistema de isolamento de Nova Zelândia (NZ) ... 12
Figura 2.7 – Esquema do sistema de rolamento proposto por LEE et al. [10] ... 13
Figura 2.8 – Sistema de rolamento [30] ... 14
Figura 2.9 – Estrutura offshore, WU et al. [45]. ... 18
Figura 2.10 – Ponte com isoladores de apoio pendular, RENTERÍA [46]. ... 19
Figura 2.11 – Reabilitação sísmica de um edifício de dois andares. ... 19
Figura 2.12 – Usina de energia nuclear de Cruas, FORNI [48]. ... 20
Figura 3.1 – Mapa de atividade sísmica da terra de 1900-2010 ... 22
Figura 3.2 – Tipos de ondas sísmicas SEN [50] ... 23
Figura 3.3 – Séries temporais típicas de excitação sísmica. SEN [50] ... 25
Figura 3.4 – Parâmetros dos terremotos ... 27
Figura 3.5 – Cinemática do edifício sob excitação sísmica ... 30
Figura 3.6 – Coeficiente de influência I ... 32
Figura 3.7 – Cinemática do edifício com suportes de elastômero sob excitação sísmica ... 37
Figura 3.8 – Cinemática do edifício com suportes rolantes sob excitação sísmica ... 40
Figura 3.9 – Diagrama esquemático dos suportes rolantes. ... 42
Figura 3.10 – Sistema de isolamento por suportes rolantes ... 43
Figura 3.11 – Cinemática do sistema por suportes rolantes sob excitação sísmica... 45
Figura 4.1– Componentes principais do sistema de excitação (S.Ex) ... 50
Figura 4.2 – Teste de verificação do sistema de medições ... 51
Figura 4.3 – Metodologia de verificação do sistema de medições ... 52
Figura 4.4 – Comparação de resultados entre o analisador de espectros e ... 53
Figura 4.5 – Comparação dos sinais medidos pelos sensores de aceleração (S1 e S2) . 54 Figura 4.6 – Metodologia de caracterização dinâmica do S.Ex. ... 56
Figura 4.7 – Instrumentação do ensaio de caracterização dinâmica do S.Ex. ... 57
Figura 4.8 – FRFs do sistema de excitação. ... 57
Figura 4.9 – Modelo físico do edifício: (a) Pórtico de quatro andares; (b)-(c) andar típico (d) dimensões básicas do pórtico (e) G.L global do sistema, medidas
em (mm). ... 59
Figura 4.10 – Ensaio de rigidez do material constituinte dos pilares. ... 60
Figura 4.11 – Rigidez a flexão do material constitutivo dos pilares ... 60
Figura 4.12 – Ensaio de identificação modal do edifício por excitação com martelo ... 61
Figura 4.13 – Sinais típicos de excitação por impulso e resposta em aceleração do sistema estrutural. ... 62
Figura 4.14 – Modelo 2D do edifício de base fixa ... 64
Figura 4.15 – Ajuste dos modos de vibração identificados e estimados na direção x ... 66
Figura 4.16 – FRFs relacionando a resposta em aceleração dos andares do edifício (E) com a força de impacto imposta no primeiro andar ... 67
Figura 4.17 – FRFs relacionando a resposta em aceleração dos andares do edifício com a excitação de base ... 68
Figura 4.18 – Correlação das séries temporais de resposta do edifício (E) ... 70
Figura 5.1 – Componentes e dimensões dos sistemas de isolamento sísmico ... 72
Figura 5.2 – Ensaio de rigidez do sistema de isolamento por suportes de elastômero . 74 Figura 5.3 – Rigidez horizontal e vertical do S.E ... 74
Figura 5.4 – Ensaios de identificação modal do S.E com excitação por impulso. ... 75
Figura 5.5 – Ensaios de excitação aleatória no S.E ... 77
Figura 5.6 – FRFs do sistema de S.E ... 77
Figura 5.7 – Testes de caracterização da força de restituição no sistema de suportes rolantes (S.R): (a) massa equivalente do edifício (b) edifício+S.R ... 79
Figura 5.8 – Força de restituição fs do S.R: (a) massa equivalente do edifício (b) edifício+S.R ... 80
Figura 5.9 – Instrumentação e metodologia utilizada no teste de V.L ... 81
Figura 5.10 – Segmentos típicos de aceleração no teste de V.L do sistema S.R ... 82
Figura 5.11 – Ajuste da resposta temporal em de V.L do S.R ... 82
Figura 5.12 – Instrumentação utilizada no teste de excitação de base ... 83
Figura 5.13 – Testes de excitação de base harmônica ... 84
Figura 5.14 – Testes de excitação de base harmônica ... 85
Figura 5.15 – Séries temporais típicas da resposta dos S.R sob excitação de base. ... 86
Figura 5.16 – Forças nos suportes rolantes para excitações de 2 e 3 Hz. ... 87
Figura 6.1 – Modelo físico do edifício de quatro andares: (a) Edifício com suportes de elastômero (E+S.E); (b) Edifício com suportes rolantes (E+S.R); medidas em (mm). ... 89
Figura 6.2 – Modelo 2D do Edifício com suportes de elastômero. ... 90
Figura 6.3 – (a) Sistema E+S.E (b) Excitação por impacto na direção x (c) Excitação
por impacto vertical na direção z. ... 91
Figura 6.4 – Formas modais do sistema E+S.E ... 92
Figura 6.5 – FRFs relacionando a resposta em aceleração dos andares do edifício com a excitação de base. ... 94
Figura 6.6 – Correlação das séries temporais de resposta do sistema E+S.E ... 95
Figura 6.7 – Modelos de edifícios sob excitação sísmica: (a) Edifício com suportes de elastômero (E+S.E); (b) Edifício com suportes rolantes (E+S.R); ... 98
Figura 6.8 – Modos de vibração identificados ... 101
Figura 6.9 – Comparação entre as FRFs do quarto andar do edifício. ... 102
Figura 6.10 – Resposta em aceleração do segundo andar do edifício. ... 102
Figura 6.11 – Modos de vibração do edifício com suportes de elastômero. ... 104
Figura 6.12 – FRFs relacionando a resposta medida no sistema com uma excitação 105 Figura 6.13 – Séries temporais de aceleração no sistema E+S.E. ... 106
Figura 6.14 – Teste de vibração livre do sistema E+S.R. ... 107
Figura 6.15 – Correlação de séries temporais de aceleração do sistema E+S.R em condições de vibração livre. ... 108
Figura 6.16 – Teste de excitação de base E+S.R ... 109
Figura 6.17 – Correlação de séries temporais de aceleração do sistema E+S.R em condições de excitação de base ... 110
Figura 7.1 – Características de registros reais de terremotos ... 113
Figura 7.2 – Espectro excitações sísmicas ... 116
Figura 7.3 – Séries temporais de aceleração do quarto andar do edifício ... 120
Figura 7.4 – Séries temporais do esforço cortante na base do edifício ... 121
Figura 7.5 – Diagramas de histerese nos sistemas de isolamento. ... 121
Figura 7.6 – Modos de vibração com a variação dos parâmetros do S.E. ... 123
Figura 7.7 – FRFs do primeiro andar do edifício com a variação ... 123
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 Frequência de ocorrência de terremotos desde 1900. DATTA [51]. ... 28
Tabela 3.2 Escala modificada de Mercalli [51]. ... 29
Tabela 4.1 Características básicas do excitador ... 50
Tabela 4.2 Parâmetros modais identificados no pórtico ... 63
Tabela 4.3 Parâmetros modais identificados no edifício ... 65
Tabela 5.1 Parâmetros modais identificados no sistema de suportes de elastômero ... 76
Tabela 6.1 Parâmetros modais identificados no E+S.E. ... 92
Tabela 6.2 Autovalores Reλ da matriz de estado A ... 97
Tabela 6.3 Parâmetros modais identificados no modelo do sistema E. ... 100
Tabela 6.4 Parâmetros modais identificados no sistema E+S.E. ... 103
Tabela 7.1 Excitações sísmicas ... 114
Tabela 7.2 Resposta sísmica de edifícios de base fixa ... 115
Tabela 7.3 Resposta sísmica de edifícios com sistemas de isolamento ... 116
Tabela 7.4 Resposta sísmica com a variação das propriedades dos S.E ... 117
Tabela 7.5 Resposta sísmica com a variação das propriedades dos S.R ... 118
Tabela 7.6 Frequências (Hz) do sistema S+S.E com variação dos parâmetros do S.E 122 Tabela A1 - Resposta sísmica do sistema E+S.E, ... 135
Tabela A2 - Resposta sísmica do sistema E+S.E, ... 136
Tabela A3 - Resposta sísmica do sistema E+S.E, ... 137
Tabela A4 - Resposta sísmica do sistema E+S.R, ... 138
Lista de Símbolos
– Matriz de estado
– área da seção dos pilares – área da seção dos andares
– amplitude máxima de excitação
– amplitude máxima de resposta dos suportes rolantes – matriz de amortecimento do sistema E+S.E.
C.M – Centro de massa
– módulo de elasticidade dos pilares – módulo de elasticidade dos andares
– função de resposta em frequência em termos das coordenadas modais – função de resposta em frequência para múltiplas excitações
– função de resposta em frequência para sistemas de amortecimento não proporcional
– momento de inércia dos pilares do edifício – momento de inércia dos andares do edifício
– matriz de rigidez do sistema E+S.E.
– matriz de massa do sistema E+S.E.
R – vetor que posiciona as forças desenvolvidas no sistema de suportes rolantes – índice de rigidez das conexões
– matriz de amortecimento do edifício – módulo de elasticidade
– amplitude da excitação no domínio da frequência – operador de influência
– matriz de rigidez do edifício – matriz de massa do edifício
– força normal aplicada nas superfícies deslizantes nos dispositivos de dissipação de energia
– esforço cortante nos andares do edifício
– amplitude da resposta no domínio da frequência – vetor de uns e zeros que posiciona as forcas de atrito
, – espectro de deslocamentos , – espectro de acelerações – período da onda sísmica
– desvio padrão das acelerações da base – aceleração sísmica
– aceleração total de cada andar do edifício
– resposta de aceleração horizontal da base de massa m – resposta de aceleração horizontal do rolete de massa m – resposta de aceleração vertical da base de massa m – resposta de aceleração vertical do rolete de massa m
– altura da base do edifício
– altura do i-ésimo andar do modelo físico do edifício – momento de inércia dos andares
– coeficiente de amortecimento na direção horizontal – coeficiente de amortecimento na direção vertical
– coeficiente de amortecimento rotacional
– força de atrito entre a base de massa m e o rolete de massa m – força de atrito entre o rolete de massa m e as superfícies inclinadas
– forca de atrito por rolamento – forca de atrito por deslizamento
– força de atrito máxima admissível nos dispositivos de dissipação de energia – frequência natural identificada experimental
– frequência natural estimada numericamente – força de restituição do sistema de suportes rolantes
– função que representa a função ·
– rigidez horizontal do sistema por suportes de elastômero – rigidez do sistema de suportes rolantes na fase elástica linear – rigidez vertical do sistema por suportes de elastômero
– rigidez rotacional dos andares do edifício
– rigidez rotacional do sistema por suportes de elastômero – massa da base do sistema
– massa do cilindro que conforma o rolete – massa da base
– massa do i-ésimo andar do edifício – massa total do Edifício
– força normal entre a base de massa m e o rolete de massa m – força normal entre o rolete de massa e as superfícies inclinadas – i-ésimo descolamento modal
– resíduo complexo
– conjugado do resíduo complexo – vetor de acelerações relativas do edifício – vetor de velocidades relativas do edifício
– vetor de deslocamento inicial em coordenadas físicas – deslocamento relativo da base
– deslocamento do solo
– i-ésimo grau de liberdade translacional na direção horizontal – vetor velocidade inicial em coordenadas físicas
– deslocamento horizontal do C.M da base de massa em relação ao sistema de referência do excitador
– deslocamento horizontal do C.M do rolete de massa em relação ao sistema de referência do excitador
– deslocamento horizontal do C.M do excitador em relação ao sistema de referência inercial
– deslocamento vertical do C.M da base de massa em relação ao sistema de referência inercial
– deslocamento vertical do C.M do rolete de massa em relação ao sistema de referência inercial
a – constante de interpolação b – constante de interpolação
d – intervalo que define a fase de transição elástica linear do sistema de suportes rolantes
– fator de correção da distancia do epicentro e da profundidade focal.
– aceleração da gravidade – número complexo
– vetor de deslocamento modal – radio do rolete
· – função de sinal
– vetor de deslocamentos relativos do edifício – vetor de estado modal
– variável auxiliar da função · – matriz diagonal de elementos – massa modal efetiva
– delta de Kronecker
– r-ésimo autovalor complexo
– conjugado do r-ésimo autovalor complexo – coeficiente de atrito por rolamento
– coeficiente de atrito por deslizamento – i-ésima taxa de amortecimento
– i-ésima frequência natural – i-ésimo autovetor
∆ – distancia do epicentro.
– operador da Transformada de Fourier – fator de participação modal complexo
: j-ésimo fator de participação modal.
Φ – matriz de autovetores Ψ – matriz modal complexa
: j-ésimo autovetor complexo – matriz diagonal de elementos 2
– intervalo de aquisição nas séries temporais – coeficiente de participação modal
– autovalor complexo
: j-ésimo autovalor complexo – frequência da excitação
– ângulo de inclinação das rampas
– resposta de aceleração angular dos roletes
– ângulo de inclinação das superfícies nos suportes rolantes – taxa de amortecimento identificada experimentalmente
– taxa de amortecimento estimada considerando os coeficientes de Rayleigh – taxa de amortecimento estimada considerando amortecimento não proporcional
– autovalor complexo
– peso específico do material constitutivo dos pilares – peso específico do material constitutivo dos andares – i-ésimo grau de liberdade translacional na direção vertical – i-ésimo grau de liberdade rotacional na direção vertical
– fator de fixação das conexões
Capítulo 1
1.Introdução
1.1 Aspectos gerais
Na última década, os sistemas de isolamento de base tem se mostrado bastante eficientes na proteção sísmica de edifícios. Aplicações importantes têm sido desenvolvidas nos países de maior ocorrência de terremotos. Seu sucesso deve-se a sua alta confiabilidade, estabilidade, simplicidade de projeto e seu menor custo econômico frente a outras metodologias SPENCER [1]. A simplicidade deste sistema é tal que este pode ser também utilizado em estruturas existentes que não foram projetadas inicialmente para resistir abalos sísmicos [2].
De modo geral, as metodologias de isolamento sísmico de base buscam desacoplar parcialmente as componentes horizontais do movimento do solo pela instalação de elementos de baixa rigidez lateral entre a estrutura e sua fundação.
Segundo PATIL e REDDY [3], o principal conceito de isolamento de base é a redução da frequência fundamental da estrutura para um valor menor do que as frequências contidas na energia predominante de uma excitação sísmica e elevar a capacidade de absorção de energia. Com esta condição verifica-se uma redução significativa da resposta dinâmica da estrutura. Os sistemas de isolamento de base também podem ser vistos como filtros mecânicos, cuja efetividade depende da capacidade de filtragem das frequências onde a energia do terremoto é predominante e próxima das frequências fundamentais da estrutura. De acordo com PALAZZO [4], o efeito da filtragem evidencia-se principalmente nos deslocamentos entre andares do edifício, enquanto grandes deslocamentos evidenciam-se no sistema de isolamento.
Existe uma grande variedade de sistemas de isolamento para a proteção de edifícios e pontes sob excitação sísmica. Estes sistemas são classificados frequentemente em três grupos: (i) suportes de elastômero ou neoprene; (ii) sistemas deslizantes que utilizam o mecanismo de atrito como meio de separação da estrutura da excitação sísmica, e (iii) os suportes rolantes através de cilindros e esferas, caracterizados pelo coeficiente de atrito por rolamento, o qual é consideravelmente menor do que os coeficientes de atrito por deslizamento. Desta forma se torna possível desacoplar de maneira eficiente a excitação sísmica sob as estruturas. Uma extensa revisão destes sistemas foi apresentada por JANGID e DATTA [5], KUNDE e JANGID [6], e LEE [7]. Outros tipos de sistemas que utilizam materiais inteligentes, são o suporte de elastômero com liga de memória estudado por GUR et al. [8], e o suporte de elastômero magneto-reológico desenvolvido por LI et al. [9], certamente tem ampliado as fronteiras de aplicação dos isoladores de base.
Apesar do grande número de publicações no contexto dos sistemas de isolamento, ainda existe a necessidade de verificar seu desempenho e efetividade. Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho é validar experimentalmente um modelo numérico proposto para a análise de edifícios com sistemas de proteção sísmica. Com o modelo calibrado foi possível avaliar o desempenho de duas metodologias de isolamento sísmico. Deste modo, foram caracterizados os sistemas clássicos de suportes de elastômero e o sistema de suportes rolantes proposto por LEE et al. [10]. Este último sistema, constituído de roletes e rampas foi proposto inicialmente para aplicação em pontes, no entanto, neste estudo estende-se sua aplicação a sistemas do tipo pórticos, tais como edifícios.
Neste contexto, estuda-se o comportamento de um modelo físico de um edifício sob excitação de base. Neste trabalho apresentam-se as metodologias de análise experimental utilizadas na validação e caracterização dos diferentes sistemas confeccionados. Modelos numéricos dos edifícios, bem como dos sistemas de isolamento foram ajustados e verificados mediante testes de identificação modal e testes com excitação de base. Em sequência, apresenta-se uma correlação dos resultados dos sistemas mencionados. Por fim, avalia-se o desempenho dos sistemas de isolamento através de um estudo paramétrico do edifício em condições de excitações reais de terremotos.
1.2 Escopo do trabalho
Este trabalho compõe-se de oito capítulos apresentados a seguir:
Inicialmente é apresentado no capítulo 1 o contexto geral dos sistemas de isolamento de base e alguns conceitos básicos de seu funcionamento. Neste capítulo também é apresentado o objetivo, a metodologia e a estrutura da tese.
O capítulo 2 revisa o estado da arte dos sistemas de isolamento de base utilizados na proteção sísmica de edifícios. Neste capítulo é apresentada a descrição dos sistemas de isolamento. Em sequência, é apresentada uma síntese dos estudos numéricos e experimentais concernentes com os tópicos abordados neste trabalho. Por último, são mostrados exemplos de aplicação de estruturas com sistemas de isolamento sísmico.
O capítulo 3 descreve os fundamentos teóricos, assim como os modelos dinâmicos e as formulações matemáticas considerados no estudo numérico. Em sequência, é realizada uma breve descrição dos registros sísmicos utilizados nas simulações numéricas. Ao longo deste capítulo, apresentam-se as metodologias de análise numéricas utilizadas no estudo de estruturas com sistemas de isolamento de base através de suportes de elastômero e suportes rolantes.
Descrevem-se no capítulo 4 os sistemas de excitação e o modelo físico de um edifício. Metodologias de análise experimental possibilitaram caracterizar os sistemas de excitação. Discutem-se as limitações do sistema de excitação. Também, neste capítulo, apresenta-se o ajuste do modelo numérico do edifício proposto para a análise.
No capítulo 5 são caracterizados os sistemas de isolamento propostos. Parâmetros principais dos suportes de elastômero e suportes rolantes foram identificados a fim de correlacionar resultados experimentais e numéricos de edifícios com sistemas de isolamento.
O capítulo 6 apresenta a correlação de resultados numéricos e experimentais, de edifícios com e sem isolamento de base. Apresenta-se a metodologia utilizada nos ensaios experimentais de edifícios com sistemas de isolamento. Um modelo simplificado que permite analisar edifícios com e sem isolamento de base é proposto e é validado com sucesso neste capítulo.
No capítulo 7 realiza-se um estudo paramétrico do pórtico incorporando cada sistema de isolamento abordado neste trabalho. Este estudo tem como objetivo avaliar a performance dos sistemas de isolamento sísmico estudados.
Por último, o capítulo 8 resume o estudo dos sistemas de isolamento abordados ao longo deste trabalho, onde algumas conclusões e sugestões são apresentadas para a continuação desta linha pesquisa em trabalhos futuros.
Capítulo 2
2.Sistemas de isolamento de base (BISS)
No projeto tradicional de estruturas submetidas a terremotos os sistemas estruturais são dimensionados para resistir a estas solicitações. Por outro lado, os sistemas de isolamento de base buscam reduzir o nível de excitação sísmica que chega a estrutura pela instalação de suportes flexíveis, dispostos entre a estrutura e sua fundação.
Adicionalmente, a energia da excitação sísmica é dissipada através destes suportes.
Neste sentido, têm sido desenvolvidas diferentes propostas de isolamento sísmico de base. O objetivo deste capítulo é apresentar uma revisão do estado da arte dos isoladores de base.
Em países onde os terremotos são frequentes, os edifícios, pontes, usinas, prédios industriais e diferentes tipos de estruturas são protegidos com a técnica de isolamento sísmico de base. Para tal, empresas de tecnologia de construção disponibilizam catálogos completos com diferentes dispositivos de isolamento nos quais é possível verificar suas principais propriedades, vantagens, bem como os procedimentos para sua instalação.
De modo geral, os sistemas de isolamento de base são classificados em três grandes grupos, isoladores de base de neoprene, de base deslizante e os de suportes rolantes. No primeiro grupo estão incluídos os isoladores de bloco de neoprene reforçado com placas de aço - Laminated rubber bearing (LRB), e os isoladores que apresentam um componente histerético, como o sistema da Nova Zelândia (NZ).
O segundo grupo é constituído pelos sistemas que usam a força de atrito como mecanismo de isolamento, estes sistemas são: o sistema de apoio de atrito puro - Pure friction (P-F), o sistema de apoio pendular com atrito - Friction pendular systems (FPS), o sistema elástico com atrito - Resilient-friction base Isolator (R-FBI), o sistema Electicite de France (EDF) e o deslizante elástico com atrito (SR-F). Estes três últimos
isoladores usam a ação dupla da força de atrito e força elástica como meio de separação da excitação sísmica da estrutura principal do edifício.
No terceiro grupo são incluídos os sistemas rolantes constituídos de suportes na forma de cilindro e esferas. Recentemente, estes sistemas vêm sendo estudados e desenvolvidos para sua aplicação pratica em estruturas civis em escala real. Além destes sistemas, tem sido desenvolvida outra classe de isoladores que combina os benefícios de adaptabilidade dos materiais inteligentes com as propriedades elásticas dos elastômeros [8, 9].
2.1 Sistemas de isolamento através de suportes de elastômero e suportes deslizantes
Nesta seção apresenta-se uma descrição dos principais sistemas de isolamento utilizados na proteção sísmica de estruturas, aqui são incluídos os sistemas apresentados por BARBAT e BOZZO [11].
2.1.1. - Bloco de neoprene reforçado - Laminated Rubber Bearing (LRB)
Os isoladores de bloco de elastômero são compostos basicamente de camadas alternadas de aço e neoprene vulcanizado, tendo como principal característica a ação paralela da força elástica e de amortecimento. Em geral, o sistema (LRB) apresenta boa capacidade de amortecimento, flexibilidade horizontal, além de alta rigidez vertical, apresentando ainda alta resistência a ambientes agressivos. Sua capacidade de carregamento vertical varia na faixa de 10 a 200 kN/unidade, sendo que os parâmetros que controlam o seu dimensionamento são a taxa de amortecimento (ξb) e a frequência natural (ωb).
A Figura 2.1 mostra os formatos cilíndricos e retangulares, que são os mais utilizados, e a distribuição dos materiais componentes do sistema (LRB).
Figura 2.1 – Bloco de neoprene reforçado com placas de aço (LRB)
As placas de aço evitam a excessiva deformação lateral do bloco de neoprene, obtendo-se com isto um incremento da rigidez vertical e estabilidade para incrementos de cargas de compressão. A rigidez lateral do bloco não é influenciada pelas placas, podendo-se considerar o material como elástico-linear, com deformação de corte (ν) na faixa de 100 a 150% (SUY [12]). Geralmente o isolador é conectado entre a base do edifício e a fundação, por meio de montantes metálicos ou placas de ancoragem. O comportamento não histerético deste tipo de isolador permite que este seja utilizado como complemento de outros tipos de isoladores.
2.1.2. - Sistema de atrito puro-Pure friction system (P-F)
Este é um dos sistemas de isolamento mais simples, o qual usa o mecanismo de atrito como meio para isolar a superestrutura da excitação sísmica. O sistema é formado basicamente por placas deslizantes que limitam os picos máximos de aceleração transmitidos pela subestrutura, segundo o valor do coeficiente de atrito entre as placas.
A Figura 2.2 apresenta os componentes básicos do sistema P-F.
Figura 2.2 – Sistema de atrito puro (P-F)
Comparativamente com o sistema anterior, LRB, os sistemas “P-F” apresentam como vantagens o fato de ser efetivo para um amplo intervalo de frequências, terem grande capacidade de isolamento, devido ao fato da força de atrito ser gerada na base, tendo, portanto, magnitude proporcional à massa do edifício, além de fazerem com que o centro de massa e o centro de resistência do suporte deslizante coincidam. Como consequência, os efeitos de torção produzidos em edifícios assimétricos são reduzidos [5].
Em condições normais de vibração ambiental e terremotos moderados, o sistema reage como um edifício de base fixa, devido ao coeficiente de atrito estático, mas para ações sísmicas maiores, o valor do coeficiente de atrito estático é superado e o sistema aciona o mecanismo de deslizamento, obtendo-se assim uma redução das acelerações transmitidas da subestrutura para o edifício. Autores como JANGID [13], PARK [14], SU [15], ORDOÑEZ [16] e YOUNIS e TADJBAKHSH [17] têm desenvolvido pesquisas sobre os métodos de análise deste tipo de isolador.
2.1.3. - Sistema de apoio pendular com atrito –Friction pendulum system (FPS)
O sistema de apoio pendular (FPS) é um isolador de atrito que combina a ação deslizante e a força do isolador, devido à gravidade, para obter o isolamento. O sistema é composto por duas placas metálicas esféricas (uma no topo, e outra na base) e um núcleo central que desliza entre as duas superfícies metálicas. Tanto o topo como a base do núcleo estão protegidos por um material composto de baixo coeficiente de atrito (ver Figura 2.3(a)). O movimento do sistema é análogo ao movimento de um pêndulo
simples, portanto, o período (Tb) que depende da curvatura das superfícies e o coeficiente de atrito (μ) são os parâmetros que caracterizam este isolador. A Figura 2.3 (b) mostra o esquema de funcionamento deste sistema.
Coeficientes de atrito ótimos do sistema pendular submetido a excitações sísmicas fortes são propostos por JANGID [18]. Respostas sísmicas no domínio da frequência de edifícios com FPS foram encontradas por CALIÒ et al. [19]. De outra parte, respostas inelásticas foram obtidas pelos autores ORDOÑEZ et al. [16].
(a) Componente principais
(b) Funcionamento do FPS
Figura 2.3 – Sistema de apoio pendular com atrito (FPS)
2.1.4. - Isolador elástico com atrito – Resilient - friction base Isolator (R- FBI)
O sistema elástico com atrito R-FBI proposto por MOSTAGHEL e KHODAVERDIAN [20] é composto basicamente de camadas de anéis planos de material teflon, que deslizam entre si, e um núcleo central de neoprene que fornece a força do isolador. Na Figura 2.4 mostra-se o esquema deste tipo de isolador. O sistema combina os efeitos benéficos do amortecimento da força de atrito no teflon, com a resiliência do neoprene. O deslocamento e a velocidade do deslizamento são distribuídos ao longo da altura do R-FBI e o isolamento sísmico é obtido pela ação
paralela do atrito, do amortecimento e da força do isolador. As características principais deste isolador são: o período do isolador (Tb ), a taxa de amortecimento (ξb ), e o coeficiente de atrito (μ ).
Figura 2.4 – Isolador elástico com atrito (R-FBI)
Trabalhos específicos sobre o R-FBI, foram publicados por SU e TADJBAKHSH [15], onde foi avaliada a efetividade deste sistema. Outros autores como MOSTAGHEL e KHODAVERDIAN [20] apresentam resultados experimentais e estudos computacionais do sistema R-FBI.
2.1.5. - Isolador “electicite de france” - Electric de france system (EDF)
Este sistema foi desenvolvido pela empresa francesa Framatome, para aplicação direta em usinas de energia nuclear localizadas em regiões de elevada ocorrência de sismos. O EDF, ilustrado na Figura 2.5, é composto por duas placas deslizantes, uma camada de teflon, e lâminas de neoprene reforçado. A primeira placa se localiza no topo do isolador, sendo composta por uma liga de chumbo e bronze. Logo abaixo, localiza-se a segunda placa, que é feita de aço inoxidável. Em seguida têm-se a camada de teflon e o neoprene. Segundo NAEIM e KELLY [21], as placas deslizantes são projetadas para atender a um coeficiente de atrito de 0.2 durante a vida útil do isolador. Para amplitudes moderadas da excitação sísmica, o neoprene desloca-se num intervalo de ±5 cm.
Superado este valor, as placas deslizantes são acionadas e o isolamento de base passa a ser controlado pela força de atrito gerada entre as placas. O sistema não inclui nenhuma força de restituição, podendo assim apresentar deslocamentos permanentes. O sistema é
caracterizado pelos seguintes parâmetros: período do isolador (Tb), taxa de amortecimento (ξb) e coeficiente de atrito entre as placas deslizantes (μ1).
Figura 2.5 – Isolador “electricite de france” (EDF)
TAJIRIAN et al. [22] têm trabalhado no desenvolvimento do estado da arte do EDF, sendo algumas aplicações importantes deste sistema, as usinas de energia nuclear de Cruas e Koeberg, localizadas na França e na África do Sul, respectivamente.
2.1.6. - Isolador de Nova Zelândia – New zeland bearing system (NZ)
O sistema de isolamento NZ é similar ao LRB. A diferença se encontra na adição de um núcleo de chumbo no centro do LRB. A função do núcleo é a dissipação de energia, enquanto que a flexibilidade lateral é fornecida pelas camadas de neoprene. A Figura 2.6 mostra o esquema deste sistema. O sistema NZ fornece uma componente de amortecimento histerético através da fluência do núcleo central. O comportamento da trajetória força-deformação do NZ é geralmente representado por equações diferenciais não-lineares acopladas. Na literatura técnica se encontram diagramas histeréticos típicos, tais como, elasto-plásticos, bi-linares, atrito-rígido e suave, usualmente os trabalhos de pesquisa, consideram o modelo histerético proposto por WEN [23].
Trajetórias histeréticas diferentes foram estudadas por MALAGOENE e FERRAIOLI [24]. Nesse estudo, a efetividade do sistema e a performance foram avaliadas. O NZ se caracteriza pelos seguintes parâmetros: O período do isolador (Tb), a taxa de amortecimento (ξb ) e a força de fluência normalizada (fy/W), onde W é o peso
total do edifício. Aplicações importantes deste sistema têm sido implementadas na Nova Zelândia, Japão, Itália e Estados Unidos.
Figura 2.6 – O sistema de isolamento de Nova Zelândia (NZ)
2.1.7. - Isolador deslizante elástico com atrito–Sliding resilient-friction (SR-F)
O sistema proposto por SU e TADJBAKHSH [15] usa a ação combinada dos sistemas RFB-I e EDF. O sistema RFB-I é modificado com adição de duas placas deslizantes, em lugar das placas metálicas localizadas no topo. Desta forma, para movimentos gerados por sismos moderados, o sistema se comporta como uma base elástica com atrito RFB-I. Devido ao alto coeficiente de atrito das placas, o deslizamento só acontece em níveis elevados de acelerações do solo, fornecendo desta forma, um fator de segurança maior do que outros sistemas para situações de terremotos extremos não esperados.
O período do isolador (Tb), a taxa de amortecimento (ξb), o coeficiente de atrito entre as placas (μ1) e o coeficiente de atrito do isolador (μ) definem o comportamento deste sistema.
2.2 Sistemas de Isolamento através de suportes rolantes
Como foi mencionado no item anterior, o principio básico dos sistemas de isolamento de base é conseguir desconectar parcialmente a estrutura do movimento do solo quando ocorre um terremoto. Levando em consideração este principio, LIN e HONE [25] propuseram um sistema de isolamento através de um conjunto de suportes
na forma de barras rolantes. O sistema é localizado na base dos prédios igual aos sistemas anteriores, no entanto o sistema utiliza o mecanismo de rolamento dos suportes para evitar a propagação da onda sísmica ao prédio. Embora a efetividade do sistema fosse testada, o sistema experimentava grandes deslocamentos na base, portanto LIN et al. [26] incorporaram um dispositivo de restituição no sistema. O dispositivo era representado por uma mola nas equações de movimento.
Com a capacidade de restituição introduzida no sistema, JANGID [27] estudou seu comportamento através de uma análise estocástica, verificando que a presença do dispositivo de restituição reduz significativamente os deslocamentos relativos da base sem uma transmissão adicional de acelerações à estrutura. Nesse trabalho também foi estudado o coeficiente de atrito ótimo dos suportes rolantes na qual as acelerações na estrutura atingiriam um valor mínimo.
Atualmente, têm sido propostos diferentes sistemas de isolamento baseados no mecanismo de rolamento, desde suportes rolantes de seção elíptica (JANGID e LONDHE [28]) a suportes rolantes com centros de rotação excêntricos (CHUNG et al.
[29]). Existem inclusive, estruturas em serviço com sistemas de suportes rolantes, tal como a ponte Rhode Island reabilitada por LEE e LIANG [30]. O sistema proposto por LEE et al. [10] constitui-se de dois suportes cilíndricos e duas superfícies inclinadas na forma de V como se ilustra na Figura 2.7. O sistema consegue desacoplar a estrutura da excitação sísmica nas duas direções ortogonais do isolador.
Figura 2.7 – Esquema do sistema de rolamento proposto por LEE et al. [10]
Placa inferior Cilindro
Placa intermediaria de seção V
Placa superior
Cilindro
Placas deslizante
Montagem final
Seção da placa intermediaria de seção V
Parafusos A
Parafusos A Parafusos B
Componentes principais do sistema
Segundo LEE et al. [10] este sistema de isolamento exibe três características bem diferenciadas. A primeira, o sistema apresenta uma força de restituição constante máxima em condições de excitação sísmica na direção horizontal. Isto significa que o espectro de resposta das acelerações do sistema é independente das frequências contidas na excitação sísmica. A segunda refere-se a sua capacidade de restituição como consequência das superfícies inclinadas, portanto o sistema retorna a sua posição inicial após uma excitação horizontal. E por último, com a incorporação de superfícies deslizantes o sistema fornece capacidade de dissipação de energia para reduzir os deslocamentos. Este sistema de suportes rolantes (ver Figura 2.8) foi projetado especificamente para o isolamento sísmico de pontes. Aplicações em edifícios estão sendo estudadas e é justamente um dos assuntos de pesquisa deste trabalho.
Figura 2.8 – Sistema de rolamento [30]
2.3 Estado da arte dos sistemas de isolamento
Um grande número de estudos numéricos tem sido publicado confirmando a efetividade dos sistemas de isolamento de base para a proteção de edifícios submetidos a excitações sísmicas. Autores como BARBAT e BOZZO [11], NAGARAJAIAHET et al. [31] e DEB [32] apresentaram uma extensa revisão das técnicas de simulação numérica de edifícios equipados com BISS, incluindo os principais sistemas de isolamento propostos e as respectivas equações de movimento. Estudos comparativos dos BISS foram apresentados por [11], onde são obtidas as respostas sísmicas de sistemas com um grau e vários graus de liberdade. Também, descreve em detalhe a metodologia dos esquemas de integração passo a passo, de condensação estática, e blocos iterativos.
BARBAT et al. [33] estudaram a eficiência dos sistemas computacionais utilizados na solução das equações de movimento que governam a resposta sísmica de edifícios com isolamento de base não-linear. Exemplos adequados foram propostos para avaliar a velocidade de convergência do esquema de blocos iterativos e de integração monolítica passo a passo. Nos exemplos numéricos apresentados, confirmam que a convergência é aprimorada quando o esquema de blocos iterativos é usado.
NAGARAJAIAHET et al. [31] apresentaram um modelo analítico e um algoritmo de solução para a análise dinâmica 3D não-linear de edifícios com BISS histeréticos e de atrito. Modelos uniaxiais e biaxiais dos isoladores histeréticos e de atrito foram considerados. Os autores, conferiram a vantagem do método pseudo-força com iteração na solução de sistemas de equações diferenciais com alta não-linearidade. Respostas dinâmicas para acelerogramas simulados foram obtidas, tendo sido apresentados, também, comparações dos resultados da simulação numérica com os resultados experimentais a fim de validar o método proposto.
SU e AHMADI [34] apresentaram um estudo comparativo da efetividade de vários isoladores de base, tendo sido incluídos neste estudo os sistemas LRB, NZ, R-FBI, e SR-F. A estrutura foi modelada como um sistema de corpo rígido, aplicando ao sistema, as componentes de aceleração sísmica, EL Centro (1940) e Cidade de México (1985), sendo avaliados e comparados o desempenho destes dispositivos de isolamento sísmico.
Pela primeira vez o sistema deslizante elástico com atrito (SR-F) foi proposto, destacando que este foi desenvolvido a partir da combinação das principais características dos sistemas de isolamento de base EDF e R-FBI.
LIN et al. [35] realizaram comparações entre as performances de três diferentes sistemas de isolamento (LRB, NZ, e R-FBI) utilizando o modelo espectral de CLOUGH e PENZIEN [36], obtendo conclusões referentes aos intervalos de aplicabilidade dos sistemas de isolamento de base BISS para três magnitudes diferentes de sismos (6.0, 6.7, e 7.3) na escala Richter. Respostas aleatórias de edifícios de um e cinco andares com BISS foram determinadas usando a técnica de linearização equivalente para resolver as equações de movimento que governam estes sistemas não-lineares.
Conclusões importantes referentes a influência do coeficiente de atrito na dissipação de energia foram apresentadas.
MALANGONE E FERRAIOLI [24] propuseram o procedimento modal para a análise sísmica de edifícios com sistemas de isolamento de base não-linear, considerando para tal, dois dispositivos diferentes: LRB de alto amortecimento e o
sistema de NZ. Foram apresentadas caracterizações dos sistemas para os modelos analíticos, i.e, visco-elástico, bi-linear histerético, além do modelo de WEN [23].
Respostas modais e respostas sísmicas totais foram obtidas para sistemas amortecidos não-lineares e não-clássicos, usando uma extensão da técnica de NIGAM-JENNINGS [37]. Foram realizadas comparações do método proposto com o esquema de integração passo a passo, observando-se resultados muito próximos.
ORDOÑEZ et al. [16] apresentaram um estudo numérico comparativo da resposta estrutural inelástica de edifícios com isolamento de base. Neste trabalho foram estudados os sistemas, LRB, NZ, P-F, FPS. O estudo foi realizado em relação às repostas espectrais de seis registros de sismos. Foram comparados diversos parâmetros, tais como: deslocamento da base; deslocamento relativo entre andares; deslocamentos totais; cortante na base e a demanda da ductilidade em estruturas com diferentes resistências.
MATSAGAR e JAGID [38] investigaram a resposta sísmica de edifícios suportados sobre vários sistemas de isolamento de base, durante o impacto com estruturas adjacentes cuja modelagem foi representada por uma mola e um amortecedor.
Equações diferenciais do movimento foram derivadas e resolvidas pelo método de Newmark. A aceleração dos andares do edifício e o deslocamento do isolador durante as condições de impacto foram computadas para diferentes excitações sísmicas. Estudos paramétricos foram realizados para observar a influência das características de edifícios com isolamento de base, na resposta de impacto. Em particular foram estudados os parâmetros de flexibilidade e número de andares da superestrutura.
PARK et al. [14] realizaram análises de sensibilidade dos sistemas de isolamento de base, P-F, LRB, R-FBI, EDF, e NZ. Neste trabalho foram analisadas as performances de pontes com vários vãos contínuos. Por intermédio desta análise foram encontrados intervalos de valores ótimos do período natural e do coeficiente de atrito de vários BISS submetidos a registros de acelerações sísmicas, El Centro (Componente N00W, 1940), San Fernando (Componente S16E, 1971) e Cidade de México (Componente N90W, 1985).
BARATTA e CORBI [39] propuseram um processo de otimização para edifícios com sistemas de isolamento de base. Foi examinada a influência das propriedades mecânicas do solo no comportamento dos sistemas. Respostas no domínio da frequência e do tempo foram determinadas para o sistema LRB.
JANGID [40] investigou numericamente respostas sísmicas de edifícios de vários andares incorporando o sistema NZ sob condições de movimentos extremos. Aqui foi considerado o shear building como modelo dinâmico para representar a superestrutura do edifício. O comportamento bi-linear da trajetória da força versus deformação foi suposto na análise. Foram avaliadas as respostas do sistema para a componente normal de seis registros de sismos usando o esquema de integração numérica passo a passo. A variação da aceleração no topo do edifício e do deslocamento do isolador foram obtidas em relação aos parâmetros do sistema, tais como: flexibilidade da superestrutura;
período do isolador e força de fluência do neoprene. Valores ótimos da força de fluência (fy) foram determinados para o isolador NZ, tanto para edifícios, quanto para pontes. O mesmo autor JANGID [18] tinha apresentado um estudo semelhante para o sistema FPS, encontrando, neste caso, valores ótimos do coeficiente de atrito (μ).
No Brasil, estudos numéricos de edifícios protegidos com sistemas de isolamento de base têm sido desenvolvidos por PELDOZA [41]. Por outro lado, AMARANTE [42]
estudou o comportamento de reservatórios elevados submetidos à ação sísmica. Este análise levou em consideração a interação fluido-estrutura-fundação-solo. Respostas sísmicas no domínio do tempo foram obtidas, usando os método de Runge-Kutta. Além desses, BLANDON [43] publicou uma extensa revisão dos dispositivos de dissipação de energia utilizados na proteção de edifícios submetidos às excitações sísmicas.
Comparações da efetividade no controle de vibrações foram apresentadas entre os diferentes dispositivos.
CARNEIRO [44] desenvolveu modelagens em ANSYS de estruturas de um grau de liberdade e um pórtico plano com sistemas de isolamento de base. Na definição das excitações sísmicas foram usados acelerogramas artificiais. Análises comparativas foram obtidas de respostas dinâmicas de edifícios considerados de base fixa e com isolamento sísmico de base.
2.4 Aplicações dos sistemas de isolamento
Existe um amplo número de aplicações dos sistemas de isolamento na Engenharia Civil. Desde estruturas de edifícios e pontes a estruturas de plataformas de petróleo e usinas de energia nuclear, etc. A fim de destacar a relevância da linha de pesquisa deste trabalho, nesta seção são descritos brevemente quatro exemplos de aplicação de estruturas que incorporam sistemas de isolamento sísmico.
A Figura 2.9 ilustra a primeira estrutura offshore que incorpora suportes de elastômero e amortecedores magneto-reológicos (MR) para reduzir as vibrações induzidas por terremotos e pelo congelamento da água no período do inverno. Esta plataforma está localizada na China e foi projetada com um sistema de isolamento constituído de oito isoladores LRB e oito amortecedores MR. Simulações numéricas e testes experimentais desta estrutura em escala real são apresentados por WU et al. [45].
Plataforma JZ20-2NW Planta Elevação
Figura 2.9 – Estrutura offshore, WU et al. [45].
Outra aplicação é uma ponte helicoidal com um diâmetro de 180 m, ilustrada na Figura 2.10. Este viaduto projetado na Colômbia permite a conexão entre dois pontos de uma rodovia cuja máxima diferença de altura é de 38 m. A ponte constitui-se de sete vãos espaçados de 50 m e dois balanços de 28 m com declive de 7%. O viaduto é suportado por isoladores sísmicos do tipo pêndulo por atrito. Estes isoladores permitem o deslocamento e a elevação da ponte em caso de terremotos, garantindo assim o isolamento da superestrutura da infra-estrutura. Além disso, permitem a ampliação ou redução do diâmetro da helicoidal devido aos efeitos de temperatura.
Coberta Amortecedores MR
LRB
Estrutura
Ponte helicoidal Sistema de isolamento Figura 2.10 – Ponte com isoladores de apoio pendular, RENTERÍA [46].
Ainda aplicação desta linha de pesquisa tem-se um modelo de um edifício em escala reduzida, o qual é mostrado na Figura 2.11, e é protegido através de um sistema híbrido (isolamento de base e amortecedores de controle ativo). O modelo constitui-se de três placas de aço com dimensões (48”x 28”x 1”) e de 163.29 kg de peso por placa.
As placas são suportadas por seis pilares metálicos por piso. Este modelo corresponde a uma estrutura existente e foi estudado por CHANG et al. [47] para a atualização de um edifício com o sistema de isolamento de base de controle ativo. O objetivo principal desse estudo foi o controle estrutural do edifício quando submetido a uma excitação de base nas três direções.
Figura 2.11 – Reabilitação sísmica de um edifício de dois andares, CHANG et al. [47].
Como exemplo de aplicação prática apresenta-se a usina de energia nuclear de Cruas localizada na França, ilustrada na Figura 2.1.2. Este projeto descrito por FORNI [48] conta com quatro reatores que utilizam sistemas de isolamento sísmico como medida de proteção de terremotos que poderiam atender acelerações máximas de 0.3g.
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Capítulo 3
3.Fundamentos teóricos
Neste capítulo são apresentados alguns conceitos básicos associados a Engenharia Sísmica. As características principais e medidas dos terremotos são apresentadas com o objetivo de selecionar os sinais de excitação sísmica que seriam impostos na estrutura proposta. Na sequência, apresenta-se a formulação matemática de estruturas sob ação de terremotos, compreendendo as equações de movimento que governam o comportamento de edifícios convencionais de base fixa (E), com suportes de elastômero (E+S.E), e finalmente edifícios com suportes rolantes (E+S.R). Cabe ressaltar que estas formulações são apresentadas tanto no domínio do tempo quanto da frequência.
3.1 Terremotos
Um terremoto é um movimento súbito e transitório da superfície terrestre. Este movimento é causado por diferentes fenômenos naturais, tais como: deslocamento da crosta, erupção de vulcões e atividades realizadas pelo homem, como: explosões, lançamento de foguetes e colapso de cavidades na terra devidas à exploração mineral.
De acordo com os estudos geológicos, terremotos na terra existem a centenas de milhões de anos, entretanto, somente nos últimos anos estudos mais aprofundados vem sendo realizados principalmente através de uma intensa observação dos fenômenos sísmicos. Hoje em dia, se considera que os terremotos são um indício do movimento das placas tectônicas, o qual contribui com 95% de toda a energia sísmica liberada pela terra [49].
Segundo a teoria de placas tectônicas, a terra é como um grande quebra-cabeças, onde cada peça do quebra-cabeça é uma placa tectônica que desliza sobre um material derretido, empurrando ou afastando uma da outra. As principais ocorrências sísmicas
são verificadas próximas a estas regiões de encontro de placas tectônicas. A Figura 3.1 apresenta um mapa de distribuição das placas, bem como os epicentros dos sismos ocorridos entre os anos 1900 e 2010. Cabe destacar neste mapa, a correspondência que existe entre os epicentros (pontos vermelhos e amarelos) e as linhas que definem o contorno de cada placa (linhas amarelas).
Figura 3.1 – Mapa de atividade sísmica da terra de 1900-2010 http://www.usgs.gov/
O acervo de dados recolhidos em campo tem permitido aos engenheiros e cientistas avançar na compreensão dos terremotos. De outro lado, com o mapeamento e a medição dos abalos sísmicos tem sido possível dimensionar os efeitos danosos dos terremotos nas estruturas, surgindo deste modo, diferentes propostas no projeto de estruturas resistentes a terremotos.
3.2 Excitações sísmicas
A enorme energia liberada pelas forças de contacto entre as placas tectônicas ocasionam uma propagação de ondas radiais em todas as direções da terra. Estas ondas elásticas também conhecidas como ondas sísmicas são transmitidas através das diferentes camadas do solo até finalmente alcançar a superfície. O meio rochoso do solo comporta-se como um sólido elástico facilitando a propagação de vários tipos de ondas, o que torna bastante complexo o movimento do solo.
Usualmente, as ondas sísmicas são divididas em dois grupos, ondas de corpo e de superfície. As ondas de corpo são aquelas que viajam no interior da crosta e são formadas por ondas de pressão ou primarias P e ondas secundarias S conforme pode ser
Placa Eurosiana
Placa do Pacifico
Placa de Nazca Placa Africana
Placa Filipina
Placa Sul-americana
Placa Antártica Placa Indo-
Australiana
Placa Arábiga Placa do
Caribe Placa de
Cocos Placa Norte- americana
visto na Figura 3.2(a) que apresenta a forma de transmissão destes tipos de ondas. As ondas de superfície de maior importância são as ondas de Rayleigh e de Love. Estas ondas geram grandes amplitudes de movimento na superfície do solo e se caracterizam pela baixa frequência e longa duração, amplificando desta forma seu poder destrutivo. A Figura 3.2(b) mostra os dois tipos de ondas de superfície mencionados.
ondas primarias P
ondas secundarias S
(a) Cinemática das ondas de corpo
ondas de Rayleigh ondas de Love
(b) Cinemática das ondas de superficie Figura 3.2 – Tipos de ondas sísmicas SEN [50]
As ondas ou excitações sísmicas têm sido medidas e registradas ao longo de várias décadas, sendo que suas evoluções temporais e espaciais podem ser observadas em tempo real através do site http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/map/ do serviço geológico dos Estados Unidos. Neste domínio, a atividade sísmica da terra é monitorada de forma permanente, sendo que mapas e dados dos terremotos mais recentes estão à disposição para consulta e análise.
De forma geral, as excitações sísmicas podem ser classificadas em quatro grupos (DATTA [51]):
a) Praticamente um único impulso. Neste caso os deslocamentos, acelerações e velocidades registradas apresentam apenas um impulso. Um movimento deste tipo ocorre próximo ao epicentro, em solos firmes.
b) Um movimento moderado e extremamente irregular. Este movimento está associado a distâncias moderadas do foco e acontece unicamente em solos firmes. A maioria dos grandes terremotos ocorridos no anel do fogo do pacifico apresentam este comportamento, como por exemplo o de EL Centro (1940) mostrado na Figura 3.3.
c) Um movimento do solo apresentando proeminentes períodos de vibração. Tais movimentos surgem da filtragem do terremoto nas diferentes camadas de solos macios de comportamento aproximadamente linear e da reflexão das ondas nas camadas de interface. Um exemplo é o terremoto de Loma Prieta, ilustrado na Figura 3.3.
d) Um movimento do solo em grande escala com deformações permanentes do solo. Um movimento deste tipo se apresenta em solos laminares e vulneráveis à liquefação. Exemplos deste movimento são os terremotos em Puerto Valdivia e Puerto Montt ocorrido em Chile (1960) e o terremoto de Anchorage em Alaska (1964).
Existem excitações sísmicas que evidenciam características intermediárias dos grupos aqui descritos, isto como conseqüência da estratificação e complexidade dos solos. Centros de pesquisa como o PEER – Pacific earthquake engineering research center dispõem de um amplo conjunto de dados disponibilizado através do site http://peer.berkeley.edu/peer_ground_motion_database. O PEER também inclui distintas propriedades dos sismos, tais como: a magnitude, a aceleração, o deslocamento e a velocidade de pico, duração do terremoto, conteúdo de frequências dominantes, entre outros.
Na análise dinâmica de estruturas sob ação de terremotos são utilizados os registros de aceleração do solo, medidos pelas estações sísmicas. De acordo com KAPPOS [52], hoje se dispõe de várias dezenas de milhares de registros, porém, ainda existem regiões onde o número de registros é baixo ou quase nulo. Os registros são apresentados em
séries temporais de aceleração nas três direções, sendo duas horizontais e uma vertical.
Para ilustrar a natureza das excitações sísmicas, na Figura 3.3 são mostradas várias séries típicas de registros de terremotos.
Tempo(s)
Figura 3.3 – Séries temporais típicas de excitação sísmica. SEN [50]
Outro parâmetro importante dos registros sísmicos são as frequências contidas nas séries temporais de aceleração. Procedimentos numéricos utilizando a transformada de Fourier possibilitam a determinação dos espectros de frequência destas séries. Assim, é possível identificar as frequência onde a energia da excitação sísmica é predominante e próxima das frequências naturais das estruturas.
Aceleração (g)
