D
IMENSIONAMENTO DE
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ISTEMAS DE
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B
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E
STRUTURAS DE
E
DIFÍCIOS DE
A
CORDO COM O
E
UROCÓDIGO
8
A
RID
ANIELS
ILVA DEM
EIRELESDissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM ESTRUTURAS
Orientador: Professor Doutor Carlos Manuel Ramos Moutinho
Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446
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Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 feup@fe.up.pt http://www.fe.up.pt
Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -
2010/2011 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2010.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.
À minha Família
A person who never made a mistake never tried anything new. Albert Einstein
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador, o Prof. Carlos Moutinho, pela disponibilidade e pelo incentivo demonstrados na indicação das melhores direcções a seguir durante o presente trabalho e nas suas correcções.
No culminar destes cinco anos de aprendizagem e de vida académica, é vital agradecer e desejar felicidades aos meus colegas e amigos e aos restantes docentes que me ajudaram em vários momentos de um dos períodos mais importantes da minha vida.
Por fim mas igualmente importante, devo este trabalho à minha família, que me acompanhou até aqui com amor, dedicação e educação, pelos quais estou eternamente grato.
RESUMO
Este trabalho centra-se no estudo comparativo entre as respostas a acções sísmicas de estruturas de edifícios fixas na base e com isolamento sísmico, bem como no dimensionamento dos sistemas de isolamento de base de acordo com o Eurocódigo 8.
Inicialmente é introduzido o conceito de isolamento de base, demonstrando a sua idealização estrutural, os objectivos pretendidos na sua utilização e os seus problemas construtivos. É resumida a sua evolução histórica na engenharia civil e são dados exemplos da sua implementação em novas estruturas e na reabilitação de outras já existentes.
Vários sistemas de isolamento são apresentados, descrevendo-se as suas formas de funcionamento e os seus modelos de comportamento. Os principais parâmetros utilizados para a descrição destes sistemas e para os seus respectivos dimensionamentos são introduzidos, procurando-se a optimização destes em diferentes cenários, com vista a melhores resultados, nomeadamente a nível de esforços e deslocamentos.
Através da análise de alguns regulamentos e trabalhos produzidos, procura-se a melhor forma de caracterizar os modelos de comportamento de determinados sistemas de isolamento de base, pretendendo-se combinar essa informação com a fornecida pelo Eurocódigo 8; as regras de dimensionamento desta norma europeia presentes no capítulo dedicado ao isolamento de base são assim complementadas e melhor compreendidas.
É dado um exemplo de aplicação de isolamento de base a uma estrutura de um edifício corrente, localizado em território continental Português, numa zona de sismicidade mais elevada, com dois diferentes sistemas de isolamento sísmico; a análise estrutural efectuada é uma das descritas no Eurocódigo 8, tal como o dimensionamento dos sistemas é realizado em cumprimento desta norma, apoiado com dados fornecidos por fabricantes. É igualmente executada uma análise ao mesmo edifício sem isolamento de base, para que os resultados da resposta sísmica de ambos os cenários possam ser comparados e assim obter as vantagens e desvantagens do uso de cada um dos sistemas. A comparação realizada ignora os aspectos económicos a ter em conta, nomeadamente os investimentos inicial e de manutenção acarretados pela escolha duma solução com sistema de isolamento de base. Por último, são efectuadas considerações finais e obtidas conclusões relativamente ao trabalho e aos objectivos propostos.
PALAVRAS-CHAVE: Análise Sísmica, Isolamento Sísmico, Sistemas de Isolamento de Base, Eurocódigo 8, Apoios Elastoméricos.
ABSTRACT
This work focuses on the comparative study between the responses to seismic actions of building structures with and without seismic isolation, as well as the design of base isolation systems according to Eurocode 8.
Firstly the concept of base isolation is introduced, showing its structural idealization and the goals which its use attempts to achieve and mentioning its practical problems in construction. Its historical evolution in the field of civil engineering is summarized and some examples of its application in new structures and in the retrofit of others are given.
Several isolation systems are presented, amongst the description of their functioning and their behaviour models. The main parameters which are used to describe these systems and to design them are introduced; in order to accomplish better results, mostly concerning forces and displacements, their optimization for different scenarios is pursued.
The best ways to characterize the behaviour models of certain base isolation systems are searched for, through the analysis of some regulations and works, as this information is combined with the one provided by Eurocode 8; the design rules of this building code present in the chapter dedicated to base isolation are therefore supplemented and better understood.
An example of the application of two different base isolation systems in the structure of an ordinary building located in Mainland Portugal, on a higher-level seismic zone, is given; the structural analysis performed is one of the described in Eurocode 8, as well as the design of the systems follows its rules, supported with data provided by manufacturers. The analysis of the same building without base isolation is also done, in order to compare the results of the seismic response of both scenarios and consequently obtain the advantages and disadvantages of the use of each system. The comparison ignores the necessary economic thoughts, in particular the initial and maintenance investments resulting from the application of a base isolation system.
Finally, some considerations and conclusions are presented, regarding this work and its proposed goals.
KEYWORDS: Seismic Analysis, Seismic Isolation, Base Isolation Systems, Eurocode 8, Elastomeric Bearings.
ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... iii ABSTRACT ... v
1. INTRODUÇÃO
... 1 1.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 1 1.2.OBJECTIVOS DO TRABALHO ... 2 1.3.ORGANIZAÇÃO DA TESE ... 32. O ISOLAMENTO SÍSMICO
... 5 2.1.INTRODUÇÃO ... 5 2.2.OBJECTIVOS DO TRABALHO ... 5 2.3.OISOLAMENTO DE BASE ... 72.4.PROBLEMAS CONSTRUTIVOS DOS SISTEMAS DE ISOLAMENTO DE BASE ... 11
2.5.APLICAÇÕES DO ISOLAMENTO DE BASE ... 14
2.5.1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA ... 14
2.5.2. EXEMPLOS DA UTILIZAÇÃO DE ISOLAMENTO DE BASE EM NOVAS ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS ... 17
2.5.3. EXEMPLOS DA UTILIZAÇÃO DE ISOLAMENTO DE BASE NA REABILITAÇÃO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS ... 20
3.
SISTEMAS
DE
ISOLAMENTO
DE
BASE
PARA
ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS
... 253.1.INTRODUÇÃO ... 25
3.2.SISTEMAS DE ISOLAMENTO DE BASE ACTUAIS PARA EDIFÍCIOS ... 26
3.2.1. APOIOS ELASTOMÉRICOS ... 26
3.2.1.1. Blocos em elastómero cintado ... 26
3.2.1.2. Blocos em borracha de alto amortecimento (HDLRB – “High Damping Laminated Rubber Bearing”) ... 27
3.2.1.3. Blocos de elastómero cintado com núcleo de chumbo (LRB – “Lead Rubber Bearing”) ... 28
3.2.2. APOIOS DESLIZANTES ... 29
3.2.2.2. Apoios pendulares com atrito de concavidade dupla (DCFP – “Double Concave Friction
Pendulum”) ... 30
3.2.2.3. Isoladores pendulares com frequência variável (VFPI – “Variable Frequency Pendulum Isolator”) ... 31
3.2.2.4. Apoios pendulares com atrito de curvatura variável (VCFPS – “Variable Curvature Friction Pendulum System”) ... 31
3.2.3. COMBINAÇÕES DE SISTEMAS DE APOIOS ELASTOMÉRICOS E DE APOIOS DESLIZANTES ... 32
3.2.3.1. Sistemas de isolamento R-FBI (Resilient-Friction Base Isolation) ... 32
3.2.3.2. Bloco de elastómero cintado com superfície de deslizamento no topo ... 32
3.3.MODELOS DE COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE ISOLAMENTO DE BASE ... 33
3.3.1. MODELAÇÃO DOS BLOCOS EM ELASTÓMERO CINTADO (COMPORTAMENTO LINEAR) ... 34
3.3.1.1. Rigidez horizontal ... 34
3.3.1.2. Coeficiente de amortecimento ... 34
3.3.1.3. Rigidez vertical ... 34
3.3.2. MODELOS DE COMPORTAMENTO BILINEARES ... 36
3.3.2.1. Blocos em borracha de alto amortecimento (HDLRB) ... 37
3.3.2.2. Blocos de elastómero cintado com núcleo de chumbo (LRB) ... 38
3.3.3. MODELAÇÃO DOS APOIOS PENDULARES COM ATRITO (FPS) ... 39
4. REGULAMENTAÇÃO SÍSMICA NO DIMENSIONAMENTO
DE SISTEMAS DE ISOLAMENTO DE BASE
... 434.1.INTRODUÇÃO ... 43
4.2.DIMENSIONAMENTO SÍSMICO DE ESTRUTURAS ... 43
4.2.1. DEFINIÇÃO DA ACÇÃO SÍSMICA ... 43
4.2.2. ANÁLISE ESTRUTURAL ... 49
4.2.2.1. Edifícios com base fixa ... 50
4.2.2.2. Edifícios com isolamento de base ... 51
4.2.3. VERIFICAÇÕES DE SEGURANÇA ... 55
4.2.4. PROPRIEDADES E DISPOSIÇÕES CONSTRUTIVAS DOS SISTEMAS DE ISOLAMENTO DE BASE ... 56
4.3.VERIFICAÇÕES ESPECÍFICAS PARA APOIOS ELASTOMÉRICOS ... 57
5. EXEMPLO DE APLICAÇÃO
... 615.1.INTRODUÇÃO ... 61
5.2.1. DEFINIÇÃO DA ESTRUTURA ... 61
5.2.2. MASSAS E CARGAS DA ESTRUTURA ... 63
5.2.3. DEFINIÇÃO DA ACÇÃO SÍSMICA ... 64
5.2.4. ANÁLISE PELO MÉTODO DAS FORÇAS LATERAIS ... 65
5.3.EDIFÍCIO COM ISOLAMENTO DE BASE ... 66
5.3.1. CONSIDERAÇÃO DO PISO TÉRREO ... 66
5.3.2. CARGAS NOS APARELHOS DE APOIO ... 66
5.3.3. APLICAÇÃO DA ANÁLISE LINEAR SIMPLIFICADA DO EUROCÓDIGO 8 ... 68
5.3.3.1. Blocos em borracha de alto amortecimento (HDLRB) ... 70
5.3.3.2. Blocos de elastómero cintado com núcleo de chumbo (LRB) ... 75
5.4.EDIFÍCIO COM BASE FIXA VS EDIFÍCIO COM ISOLAMENTO DE BASE ... 79
5.4.1. COMPARAÇÃO DE ESFORÇOS ... 79
5.4.2. COMPARAÇÃO DE DESLOCAMENTOS ... 80
5.5.ESCOLHA DO APOIO ELASTOMÉRICO ... 81
6. CONCLUSÕES
... 83BIBLIOGRAFIA
... 87ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 – Classificação dos sistemas de controlo de vibrações em estruturas (Moutinho, 2007) ... 6
Figura 2.2 – Conceito do isolamento de base (Guerreiro, 1997) ... 8
Figura 2.3 – Idealização da resposta sísmica de uma estrutura de base fixa (à esquerda) e com isolamento de base (à direita) (Mayes e Naeim, 2001) ... 8
Figura 2.4 – Forma do espectro de resposta elástica do Eurocódigo 8 ... 9
Figura 2.5 – Espectro de resposta para o movimento do solo registado em 19 de Setembro de 1985 na Cidade do México e as ordenadas espectrais para o edifício com base fixa (Tf=0,4s) e com isolamento de base (Tb=2s) (Chopra, 1995) ... 10
Figura 2.6 – Diferentes soluções de colocação de sistemas de isolamento de base em edifícios com e sem cave (Mayes e Naeim, 2001)... 12
Figura 2.7 – Exemplo de esquema de montagem de elevadores em edifícios isolados (Guerreiro, 1997) ... 13
Figura 2.8 – Mausoléu de Ciro, o Grande (local arqueológico de Pasárgada, Irão) ... 14
Figura 2.9 – Sistema patenteado pelo francês Jules Touaillon em 1870 ... 14
Figura 2.10 – Sistema idealizado por Jakob Bechtold em 1906 e patenteado em 1907... 15
Figura 2.11 – Sistema proposto pelo médico inglês Dr. Johannes Calantarients em 1909 ... 15
Figura 2.12 – a) Escola Heinrich Pestalozzi, em Skopje (ARJM); b) Bloco de borracha não reforçada; c) Blocos fusíveis em porcelana... 16
Figura 2.13 – Número de aplicações de isolamento sísmico em edifícios no Mundo em 2005 (Forni, 2005) ... 17
Figura 2.14 – Evolução cronológica do número de aplicações de isolamento sísmico no Japão (Forni, 2005) ... 17
Figura 2.15 – a) Sistema de isolamento de base do Hospital da Luz em Lisboa; b) Aparelho de apoio (bloco de borracha de alto amortecimento) e respectivos calços em betão ... 18
Figura 2.16 – Peças desenhadas do sistema de isolamento de base do Hospital da Luz ... 19
Figura 2.17 – Hospital da Universidade do Sul da Califórnia, Los Angeles (1991) ... 19
Figura 2.18 – a) Foothill Communities Law and Justice Center, San Bernardino, Califórnia (1985); b) Aparelhos de apoio (bloco de borracha de alto amortecimento) ... 20
Figura 2.19 – San Francisco City Hall, Califórnia ... 21
Figura 2.20 – City and County Building, Salt Lake City, Utah ... 22
Figura 2.21 – Primeira fase da intervenção no Tokyo DIA Building ... 23
Figura 3.1 – Corte de um bloco em elastómero cintado (Guerreiro, 2003) ... 26
Figura 3.2 – Ensaio sobre um bloco em elastómero cintado (Guerreiro, 2003) ... 26
Figura 3.3 – a) Interior de um bloco em borracha de alto amortecimento (HDLRB); b) Esquema (Alga, 2011) ... 27
Figura 3.4 – Diagrama força-deslocamento de um bloco em borracha de alto amortecimento (Alga, 2011) ... 28 Figura 3.5 – Bloco de elastómero cintado com núcleo de chumbo (LRB) ... 28 Figura 3.6 – Componentes principais de um apoio FPS (adaptado de FIB, 2005) e movimentação do aparelho (adaptado de Wang, 2002) (Figueiredo, 2007) ... 30 Figura 3.7 – Esquema de funcionamento do sistema DCFP em três fases: a) sem deslocamento; b) com deslizamento apenas numa superfície; c) com deslizamentos em ambas as superfícies (Fenz, 2005) ... 31 Figura 3.8 – Esquema do sistema de isolamento R-FBI (Guerreiro, 1997) ... 32 Figura 3.9 – Esquema de um bloco de elastómero cintado com superfície de deslizamento no topo (Guerreiro, 1997) ... 33 Figura 3.10 – Modelo bilinear de comportamento de sistemas de isolamento de base ... 36 Figura 3.11 – Esquema do comportamento face a acções de corte de um apoio LRB e dos seus componentes (Figueiredo, 2007) ... 38 Figura 3.12 – Comportamento de apoios FPS (adaptado de Morga, 2006 e CEN, 2005) (Figueiredo, 2007) ... 40 Figura 4.1 – Zonamento sísmico de Portugal Continental (Eurocódigo 8) ... 45 Figura 4.2 – Isoladores protegidos do fogo (DIS, 2011): a) Placas corta-fogo; b) Cobertor anti-fogo.. 57 Figura 4.3 – Verificação de estabilidade ao rolamento (adaptado de Kelly, 1993) (Guerreiro, 1997) .. 58 Figura 5.1 – Caracterização do edifício considerado ... 62 Figura 5.2 – Espectro de cálculo para as componentes horizontais da acção sísmica na situação analisada ... 64 Figura 5.3 – Espectro de resposta elástica para as componentes horizontais da acção sísmica na situação analisada, para coeficientes de amortecimento equivalente iguais a 5, 10, 15 e 20 % ... 69
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 4.1 – Classes de importância para edifícios e respectivos coeficientes de importância γI em
Portugal (Eurocódigo 8) ... 44
Quadro 4.2 – Aceleração máxima de referência agR nas várias zonas sísmicas (Eurocódigo 8) ... 45
Quadro 4.3 – Valores de parâmetros definidores do espectro de resposta elástica horizontal para a Acção sísmica Tipo 1 (Eurocódigo 8) ... 47
Quadro 4.4 – Valores de parâmetros definidores do espectro de resposta elástica horizontal para a Acção sísmica Tipo 2 (Eurocódigo 8) ... 47
Quadro 4.5 – Valores dos parâmetros definidores do espectro de resposta elástica vertical (Eurocódigo 8) ... 48
Quadro 4.6 – Valores de φ para as categorias definidas na EN 1991-1-1:2002 (Eurocódigo 8) ... 49
Quadro 5.1 – Valores das forças uniformemente distribuídas nos pisos do edifício para a situação sísmica ... 63
Quadro 5.2 – Massa em cada piso do edifício para a situação sísmica (com g≈9,81 m/s2) ... 63
Quadro 5.3 – Vectores próprio normalizado e de participação modal das massas para o período fundamental T1 ... 65
Quadro 5.4 – Valores da força de corte sísmica na base para vários valores de coeficiente de comportamento q ... 65
Quadro 5.5 – Forças horizontais em cada piso (kN) para vários valores de coeficiente de comportamento q ... 66
Quadro 5.6 – Massa em cada piso do edifício isolado para a situação sísmica (com g≈9,81 m/s2) ... 66
Quadro 5.7 – Cargas verticais sobre os isoladores no estado limite último ... 67
Quadro 5.8 – Cargas verticais sobre os isoladores para a situação sísmica ... 68
Quadro 5.9 – Distribuição da rigidez horizontal do sistema pelos isoladores ... 68
Quadro 5.10 – Cargas verticais sobre os isoladores para a verificação ao rolamento ... 68
Quadro 5.11 – Valores relativos ao pré-dimensionamento do sistema de isolamento (HDLRB) ... 71
Quadro 5.12 – Rigidezes horizontais após cedência de cada isolador no pré-dimensionamento do sistema de isolamento (HDLRB) ... 71
Quadro 5.13 – Diâmetros mínimos dos blocos circulares ... 72
Quadro 5.14 – Diâmetros dos blocos circulares no pré-dimensionamento do sistema de isolamento (HDLRB) ... 72
Quadro 5.15 – Grupos de apoios HDLRB “High Damping Normal” (Alga, 2011) ... 73
Quadro 5.16 – Valores finais relativos ao dimensionamento do sistema de isolamento (HDLRB) ... 73 Quadro 5.17 – Verificações das condições de utilização de uma análise linear equivalente (HDLRB) 73 Quadro 5.18 – Verificações das condições de utilização de uma análise linear simplificada (HDLRB)73
Quadro 5.19 – Forças actuantes em cada piso e em cada direcção horizontal resultantes da ALS
(HDLRB) ... 74
Quadro 5.20 – Dimensionamento final (HDLRB) ... 74
Quadro 5.21 – Cargas críticas para cada grupo de apoios HDLRB ... 75
Quadro 5.22 – Valores relativos ao pré-dimensionamento do sistema de isolamento (LRB) ... 75
Quadro 5.23 – Áreas de elastómero dos blocos no pré-dimensionamento do sistema de isolamento (LRB)... 76
Quadro 5.24 – Diâmetros dos blocos circulares no pré-dimensionamento do sistema de isolamento (LRB)... 76
Quadro 5.25 – Grupos de apoios LRB (DIS, 2011) ... 77
Quadro 5.26 – Valores finais relativos ao dimensionamento do sistema de isolamento (LRB) ... 77
Quadro 5.27 – Verificações das condições de utilização de uma análise linear equivalente (LRB) .... 77
Quadro 5.28 – Verificações das condições de utilização de uma análise linear simplificada (LRB) .... 77
Quadro 5.29 – Forças actuantes em cada piso e em cada direcção horizontal resultantes da ALS (LRB)... 78
Quadro 5.30 – Dimensionamento final (LRB)... 78
Quadro 5.31 – Cargas críticas para cada grupo de apoios LRB ... 78
Quadro 5.32 – Comparação dos valores de corte basal ... 79
Quadro 5.33 – Comparação dos valores das forças horizontais actuantes nos pisos ... 79
1
INTRODUÇÃO
1.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS
De entre todos os desastres naturais que afectam a população mundial, os sismos são talvez os maiores causadores de danos humanos e materiais, nomeadamente em locais densamente habitados com deficiente protecção contra este fenómeno. No entanto, se por um lado a sua maior imprevisibilidade em relação aos restantes fenómenos o constitui mais perigoso (à excepção dum sismo que ocorre repentinamente e dura alguns segundos, há normalmente sinais de alerta da ocorrência e chegada das outras catástrofes que permitem às populações tomarem precauções), por outro os seus efeitos podem ser bastante mais atenuados pela Engenharia Civil do que os de outras calamidades (não é possível, na prática, dimensionar estruturas resistentes a enormes deslizamentos de terras ou a acções de vulcões, por exemplo), através de um correcto dimensionamento anti-sísmico e, possivelmente, da inclusão de sistemas de protecção sísmica – inclusivamente os prejuízos inerentes aos maremotos provocados por alguns sismos podem ser diminuídos graças a sistemas de alerta e de protecção da costa eficientes. Apesar da possibilidade de prevenção e protecção contra sismos, continuam a registar-se tragédias com elevadíssimos prejuízos a níveis humano e financeiro, principalmente em países em desenvolvimento, cujas estruturas não estão nitidamente preparadas para este fenómeno. Denota-se claramente que países mais desenvolvidos sujeitos a maior sismicidade apresentam uma melhor preparação, através de regulamentos e fiscalização mais rigorosos e no alto investimento em investigação dos fenómenos sísmicos e em inovações tecnológicas. Países como os Estados Unidos da América e o Japão são afectados por sismos de média a elevada magnitude com pequenos períodos de retorno, os quais provocariam maiores danos se não se tivesse registado uma grande preocupação por parte destas nações ao longo das últimas décadas em minimizá-los.
Nos últimos anos ocorreram sismos de elevada magnitude, destacando-se o abalo registado no Chile, a 27 de Fevereiro de 2010 (8.8 na escala de magnitude de momento), e mais recentemente o sismo e consequente maremoto que atingiu o Japão, a 11 de Março de 2011 (9.0 na escala de magnitude de momento), que figuram entre os maiores sismos registados na História. O sismo no Haiti, ocorrido a 12 de Janeiro de 2010, com uma magnitude de 7.0, foi uma infeliz prova de que as suas estruturas não estavam preparadas para um abalo forte, originando uma enorme tragédia e o colapso daquele país. Em contraste, a calamidade no Japão não foi devida ao desempenho das estruturas mas sim à ocorrência do maremoto, sendo que a proximidade à costa do epicentro impediu um alerta atempado; contrariamente, no maremoto de 26 de Dezembro de 2004, um sistema de alerta eficiente poderia ter levado a um cenário menos catastrófico.
Em Portugal, o sismo de 1 de Novembro de 1755, estimado como um dos sismos de maior magnitude na História, deu origem a uma maior preocupação na construção, como o desenvolvimento da gaiola
pombalina e o planeamento urbano da baixa pombalina. No entanto, desde essa data que não há registo de um sismo próximo dessa magnitude, o que caracteriza a actividade sísmica em Portugal Continental, isto é, uma média sismicidade com a ocorrência muito esporádica de sismos de elevada magnitude, cujos epicentros se encontram afastados do território continental, afectando em particular a zona Sul do País. No Arquipélago dos Açores há também um número considerável de abalos, normalmente associados da actividade vulcânica, ao invés do Arquipélago da Madeira, onde a actividade sísmica não é muito importante.
Este longo período atravessado sem a ocorrência de um grande sismo leva a considerar que num futuro próximo tal se poderá repetir, o que obriga a que o País esteja preparado para essa eventualidade. Vários especialistas da Engenharia Sísmica alertam para o facto de em Portugal haver estruturas, sobretudo de edifícios, que podem responder deficientemente a uma forte acção sísmica. Esta constatação é particularmente direccionada às estruturas mais antigas.
Com vista a construir novas estruturas com melhores respostas sísmicas e a reabilitar estruturas já edificadas, várias soluções de protecção sísmica são estudadas, sendo que este trabalho analisa a solução de isolamento sísmico de estruturas de edifícios.
Ao invés de reforçar a estrutura para melhor resistir às acções sísmicas, o isolamento de base procura minimizar essas mesmas acções sobre a estrutura, actuando na origem, isto é, na ligação estrutural ao meio exterior, onde se transmitem os movimentos do solo. Este conceito é de fácil concretização através de vários sistemas que serão referidos ao longo deste trabalho, cujo funcionamento se baseia na criação duma superfície de descontinuidade que procura eliminar uma fracção das ligações da estrutura ao solo de fundação.
A utilização destes sistemas cria, todavia, alguns problemas práticos, existindo também situações em que esta solução se torna prejudicial; estas dificuldades e circunstâncias serão mencionadas nos próximos capítulos.
Nos últimos anos, esta técnica tem sido bastante utilizada e divulgada em países com elevada sismicidade, com um contínuo estudo e diferentes tipos de concretização do seu conceito. Em Portugal, a sua primeira implementação foi concretizada na construção do Hospital da Luz, em Lisboa, inaugurado em 2007. A quase inexistente utilização de sistemas de isolamento sísmico no País, apesar das suas enormes potencialidades, juntamente com a necessidade de se prepararem as estruturas nacionais para um eventual sismo de considerável magnitude, justifica os objectivos deste trabalho.
1.2.OBJECTIVOS DO TRABALHO
O presente trabalho insere-se num contexto actual de constante evolução tecnológica no campo da protecção sísmica, concedendo-se maior segurança às estruturas sem elevadas exigências económicas. Procura-se demonstrar ao longo deste estudo que os sistemas de isolamento de base são uma solução a considerar, em determinadas circunstâncias, em estruturas de edifícios. Apesar da utilização destes sistemas em pontes e centrais nucleares, por exemplo, ser também em muitos casos de grande importância, este trabalho restringe o seu estudo em edifícios.
A divulgação do isolamento de base é o primeiro objectivo desta tese, concretizado pela apresentação e pela descrição de vários sistemas de isolamento sísmico, tal como pela referência a alguns exemplos da sua aplicação em vários países. A quantidade de diferentes soluções de sistemas de isolamento de base disponíveis no mercado, a par das suas utilizações documentadas e dos vários estudos efectuados
com vista a compreender melhor os seus comportamentos, contrapõem-se com as suas fracas divulgação e experiência em Portugal, prováveis responsáveis pelo diminuto uso destes sistemas. O segundo objectivo consiste em analisar a regulamentação sísmica existente, e, de acordo com esta, demonstrar como efectuar a análise estrutural e o dimensionamento dos sistemas de isolamento de base com maior divulgação e também com modelos de comportamento de análise mais simples. A norma a seguir será o Eurocódigo 8, com o apoio e complementação por parte doutros regulamentos e também doutros estudos realizados.
Finalmente, com a inclusão de um exemplo prático, procura-se provar as capacidades de redução de esforços e de deslocamentos relativos entre pisos possuídas pela aplicação desses sistemas de isolamento de base numa estrutura de um edifício corrente localizado na zona Sul de Portugal Continental, confrontando os resultados dessa hipótese de isolamento sísmico com aqueles correspondentes ao cenário normal de base fixa.
1.3.ORGANIZAÇÃO DA TESE
Este trabalho divide-se em seis capítulos, sendo o primeiro dos quais o presente, que constitui a introdução.
O segundo capítulo introduz inicialmente várias soluções de protecção sísmica actuais; o isolamento de base integra-se neste contexto, sendo apresentados o seu conceito, a sua idealização e os objectivos da sua aplicação em estruturas, referindo-se também alguns dos seus problemas construtivos em edifícios. Resume-se a evolução histórica dos sistemas de isolamento sísmico e são dados alguns exemplos da sua aplicação na construção de estruturas ou na reabilitação doutras já existentes.
No terceiro capítulo são apresentados e caracterizados os principais sistemas de isolamento de base para estruturas de edifícios. Os modelos de comportamento de alguns destes sistemas são descritos, a par da apresentação de modelos idealizados com uma aproximação satisfatória a estes.
O quarto capítulo aborda a regulamentação sísmica actual, sendo enumeradas as principais disposições do Eurocódigo 8, com destaque para as suas referências ao isolamento de base, as quais são analisadas em conjunto com outros regulamentos; são expostas as verificações necessárias para o dimensionamento de sistemas de isolamento de base.
O quinto capítulo apresenta um exemplo de aplicação constituído pela análise sísmica de um edifício corrente localizado num local de maior sismicidade em território nacional, com as hipóteses de base fixa e de base isolada por dois sistemas distintos; a análise estrutural e o dimensionamento dos sistemas de isolamento de base são efectuados de acordo com o Eurocódigo 8. No final, os resultados das diferentes soluções são comparados.
Finalmente, no sexto capítulo efectuam-se considerações e conclusões finais acerca do estudo realizado e da utilização do isolamento de base em Portugal.
2
O ISOLAMENTO SÍSMICO
2.1.INTRODUÇÃO
O presente capítulo enquadra o isolamento de base no contexto da protecção sísmica, referindo os tipos de protecção em que os sistemas de isolamento sísmico e os restantes se contextualizam; é efectuada uma breve descrição dos outros sistemas existentes, denotando-se as distintas filosofias de concepção anti-sísmica.
São apresentados o conceito, a idealização e os objectivos dos sistemas de isolamento de base, com destaque para a sua utilização em estruturas de edifícios, que constitui o âmbito deste trabalho. Alguns dos seus problemas construtivos em edifícios são referidos.
É resumida evolução histórica até à actualidade dos sistemas de isolamento sísmico, destacando-se também algumas aplicações destes na construção de estruturas ou na reabilitação doutras já existentes, demonstrando-se dessa forma a crescente divulgação desta técnica em vários países, aplicada com bastante sucesso.
2.2.SOLUÇÕES DE PROTECÇÃO SÍSMICA
O reconhecimento da importância de dotar as estruturas de capacidade resistente ao fenómeno sísmico é já muito antigo, devido ao grande número de calamidades ocorridas ao longo da História e, no caso particular das zonas com maior sismicidade (onde habita uma grande percentagem da população mundial), à grande recorrência de abalos sentidos; porém, muitas soluções encontradas careciam de eficiência, resultado duma defeituosa abordagem ao problema, causada por pouco conhecimento sobre o fenómeno e sobre como as estruturas respondem a este.
Nos últimos anos observaram-se progressos no estudo e na compreensão deste fenómeno e das respostas estruturais às acções sísmicas, levando a que novas concepções mais eficazes tenham sido criadas, e que prosseguem actualmente.
As técnicas de dimensionamento actuais procuram dotar as estruturas da capacidade de comportar deformações fora do regime linear, mantendo um nível de resistência suficiente (dependente da ductilidade) e com aptidão para redistribuir os esforços na estrutura. Apesar de se evitar o colapso da estrutura ou de parte dela num cenário de ocorrência dum sismo de elevada magnitude, estas deformações poderão causar danos consideráveis, particularmente a nível de elementos não estruturais. Para que tal não suceda, existem diferentes estados limites que consideram os sismos mais moderados e frequentes, os quais não poderão causar danos na estrutura e seus elementos, e os sismos mais fortes e esporádicos, onde se admitem esses danos; no caso de estruturas de elevada importância
(caso dos hospitais, centros de comando e centrais nucleares, por exemplo), o estado limite último de dimensionamento pode ser elevado para um patamar superior, enquanto o estado limite de serviço se aproxima do estado limite último. Um exemplo dessa necessidade é a situação actual da central nuclear de Fukushima I no Japão, que sofreu consideráveis danos após o sismo e o tsunami de 11 de Março de 2011.
É neste contexto que se criam sistemas de protecção adicional às estruturas, que respondem a acções sísmicas de diversas formas. Estes sistemas de protecção sísmica provocam a diminuição de esforços e deslocamentos nas estruturas através do aumento de dissipação de energia e da alteração das características de vibração das estruturas. Em muitos casos, com a aplicação destes sistemas, evita-se que a estrutura atinja o regime não linear, sendo este o caso geral da utilização dos sistemas de isolamento base.
Os sistemas de protecção sísmica podem ser divididos em quatro grupos distintos, os quais se apresentam na Figura 2.1 (Moutinho, 2007). Alguns destes sistemas são também concebidos com o intuito de controlar vibrações resultantes de distintas acções, como as acções do vento ou as acções induzidas por pessoas.
Em relação aos sistemas denominados absorsores, destacam-se os amortecedores de massa sintonizada (TMDs – “Tuned Mass Dampers”) e os amortecedores de líquido sintonizado (TLDs – “Tuned Liquid Dampers”), cujos funcionamentos são análogos. Os primeiros, através da adição estratégica de massa à estrutura, procuram compensar o seu movimento vibratório, contrariando o movimento imposto pelas acções dinâmicas. No caso dos amortecedores de líquido sintonizado, o objectivo é atingido tirando proveito do efeito hidrodinâmico da água ou outro líquido armazenado num reservatório passível de assumir várias configurações.
Os amortecedores ou dissipadores passivos funcionam como um mecanismo adicional de dissipação de energia, complementando aquele que é desenvolvido pela estrutura. Existem diferentes tipos de amortecedores com distintas formas de funcionamento. Os amortecedores viscosos produzem uma força de amortecimento dependente da velocidade relativa, se interpostos entre dois pontos da estrutura, ou da velocidade absoluta, se ligados ao exterior. Os amortecedores viscoelásticos, normalmente constituídos por um material viscoelástico colado entre chapas metálicas, possuem um comportamento global semelhante ao dos amortecedores viscosos adicionando uma mola em paralelo. Os amortecedores atríticos ou friccionais transformam a energia mecânica em calor, através da fricção de rugosidades em placas deslizantes. Os amortecedores histeréticos dissipam energia por via do ciclo de histerese correspondente a deformações plásticas de barras dum metal bastante dúctil.
Os sistemas activos carecem de energia para o seu funcionamento e de uma monitorização constante da estrutura, distinguindo-se desta forma dos sistemas passivos. Contrapondo esta limitação, à qual se associa um custo elevado, estes sistemas demonstram maior eficiência e uma maior adaptabilidade às estruturas. Neste conjunto encontram-se principalmente os amortecedores de massa activa (AMDs – “Active Mass Dampers”), para além de cabos activos, diagonais activas e actuadores piezoeléctricos. Existem soluções intermédias aos sistemas activos e passivos que procuram tirar partido das principais vantagens destes, constituindo assim os sistemas semi-activos. Observam-se igualmente utilizações em paralelo de ambos os tipos de sistemas, definindo desta forma os sistemas híbridos.
Os sistemas de isolamento de base fazem parte dos sistemas de controlo passivo e são, por vezes, complementados com o uso de dissipadores de energia; todavia, os próprios sistemas de isolamento sísmico podem possuir a capacidade de dissipação de energia, particularmente devido ao amortecimento histerético dos seus constituintes.
2.3.OISOLAMENTO DE BASE
Durante a ocorrência dum fenómeno sísmico, os esforços que se desenvolvem nas estruturas são transmitidos pelas ligações rígidas que estas têm com as suas fundações, que sofrem a acção dos movimentos do solo em que assentam. Para que não existisse a transmissão de forças horizontais seria necessário que essas ligações se tornassem infinitamente flexíveis na direcção horizontal, levando a que a estrutura não acompanhasse o movimento do solo. O facto óbvio de as ligações na direcção vertical não poderem deixar de existir inviabiliza qualquer tipo de isolamento sísmico nessa direcção; no entanto, em estruturas de edifícios correntes, a componente vertical da acção sísmica é geralmente de importância muito menor em relação à componente horizontal, tornando esta limitação pouco significativa.
A idealização duma estrutura isolada (através de uma ligação que transmite o peso desta ao solo de fundação mas que não possui rigidez lateral) é elementar. Esta situação é equivalente a uma estrutura apoiada sobre esferas (ou em roletes, no caso duma análise bidimensional). Considerando as superfícies polidas, o atrito é eliminado e desaparecem assim quaisquer ligações horizontais da
estrutura ao solo, criando-se uma superfície de descontinuidade, mantendo-se contudo a ligação vertical destes. Nesta situação idealizada, durante a ocorrência de um sismo a estrutura não experimenta quaisquer esforços ou deformações, comportando-se como um bloco rígido, o que constitui a resposta ideal a uma acção sísmica. A Figura 2.2 ilustra esta concepção.
Figura 2.2 – Conceito do isolamento de base (Guerreiro, 1997)
No entanto, para além de ser uma solução de muito difícil concretização, ocorreriam problemas relacionados com os grandes deslocamentos que a estrutura teria em relação ao solo de fundação, sem que houvesse qualquer restituição da sua posição inicial.
Os sistemas de isolamento de base seguem o conceito de diminuir (ao invés de eliminar) a ligação horizontal da estrutura ao solo de fundação, providenciando-lhe uma rigidez muito baixa e mantendo uma rigidez vertical elevada. Esta rigidez lateral evita deslocamentos demasiado elevados e origina a força de restituição necessária para que a posição original da estrutura se mantenha. A Figura 2.3 apresenta a comparação dos comportamentos previstos face a movimentos sísmicos numa estrutura com e sem isolamento de base.
Figura 2.3 – Idealização da resposta sísmica de uma estrutura de base fixa (à esquerda) e com isolamento de base (à direita) (Mayes e Naeim, 2001)
Tendo por base a ilustração da Figura 2.3, a escolha de uma solução de isolamento de base resulta na eliminação da amplificação de forças com a altura da estrutura, bem como dos deslocamentos relativos entre os pisos do edifício, seguindo o conceito do movimento horizontal de um bloco rígido inteiro. Para que os deslocamentos entre a estrutura e o solo não sejam elevados, sem comprometer a desejada rigidez lateral mínima, alguns sistemas de isolamento de base têm também a capacidade de dissipação de energia face a acções sísmicas, nomeadamente devido ao seu amortecimento histerético intrínseco e/ou à utilização de amortecedores em paralelo. Visto que o uso de amortecedores não se encontra no âmbito deste trabalho, estes não serão considerados doravante.
A consequência directa da existência de uma rigidez lateral menor ao nível da base da estrutura é o aumento do período fundamental desta. Na análise do espectro de resposta do Eurocódigo 8 (Figura 2.4), observa-se que, à partida, o aumento do período fundamental é acompanhado pela descida da aceleração espectral, o que conduz à diminuição dos esforços e deslocamentos da estrutura; se o período fundamental do sistema sem isolamento sísmico se encontrar dentro do patamar de aceleração constante (isto é, se o seu valor estiver compreendido entre TB e TC), a mudança para um dos patamares seguintes é visivelmente benéfica. Por outro lado, o aumento do amortecimento altera as ordenadas do espectro de resposta para valores mais baixos (pois diminui o valor do coeficiente de correcção η), o que demonstra a importância da capacidade de dissipação de energia dos sistemas de isolamento de base.
Figura 2.4 – Forma do espectro de resposta elástica do Eurocódigo 8
Verificando-se a hipótese do funcionamento da estrutura isolada se assemelhar ao funcionamento de um bloco rígido, a participação modal da frequência fundamental é muito mais significativa, o que deixa os restantes modos de vibração com uma contribuição diminuta para os esforços e deslocamentos. Assim, há uma menor participação de modos cujos períodos mais baixos correspondem a valores mais elevados de aceleração espectral (excepto os períodos inferiores a TB). O isolamento de base é uma solução importante para estruturas irregulares, nomeadamente nas situações de distribuições não uniformes da rigidez ou da massa, tanto em planta como em altura. As respostas sísmicas de estruturas com irregularidades são normalmente mais problemáticas, em particular devido à concentração da dissipação de energia em determinadas zonas, ao invés da
distribuição mais uniforme em estruturas regulares. Como o comportamento das estruturas com isolamento sísmico é próximo do comportamento de um corpo rígido, o efeito das irregularidades estruturais é atenuado.
A prática de se assumir que uma estrutura com isolamento sísmico não abandona o regime linear durante o movimento sísmico é a mais comum. Dessa forma são evitados danos na estrutura e nos seus elementos não estruturais. Todavia, é possível a estrutura exibir um comportamento não linear, sendo até desejável em alguns casos (Guerreiro, 1997). Neste trabalho considera-se apenas a exploração do regime linear.
A aplicação destes sistemas nas estruturas de edifícios é de concretização simples e os cálculos necessários ao dimensionamento não são complexos.
Em resumo, os sistemas de isolamento de base são soluções de protecção sísmica que se podem revelar bastante úteis na diminuição dos esforços das secções estruturais, através dum aumento considerável do período fundamental, quando o espectro de resposta é favorável a essa mudança, e em alguns casos com o aumento do valor de amortecimento.
Porém, se o espectro de resposta utilizado para o dimensionamento não decrescer com o aumento do período, a vantagem do uso de isolamento de base anula-se; a sua utilização pode mesmo tornar-se prejudicial se o espectro de resposta crescer com o aumento do período, como é exemplificado na Figura 2.5 onde se indicam as ordenadas de um espectro de resposta produzido pelo movimento do solo na Cidade do México durante o sismo de 19 de Setembro de 1985, para períodos de 0,4 s e de 2 s (Chopra, 1995). Observa-se que a utilização do isolamento de base, mesmo com um valor de amortecimento superior, conduz a uma situação mais gravosa do que a correspondente à estrutura de base fixa. Em locais como a Cidade do México, onde o solo possui uma baixa rigidez e lhe está associada uma predominância de movimentos de longo período, é desaconselhada a utilização de isolamento de base.
Figura 2.5 – Espectro de resposta para o movimento do solo registado em 19 de Setembro de 1985 na Cidade do México e as ordenadas espectrais para o edifício com base fixa (Tf=0,4s) e com isolamento de base (Tb=2s)
Por outro lado, também não existem vantagens em utilizar sistemas de base cujo período esteja muito próximo do período fundamental da estrutura de base fixa, podendo-se perder a possibilidade de consideração da estrutura reagir aos movimentos sísmicos como um bloco rígido. Em estruturas mais flexíveis, como é o caso de edifícios altos e esbeltos, ter-se-ia de exigir um sistema de isolamento de base com uma rigidez lateral demasiado baixa para obter um período mais elevado. Aliás, é neste tipo de estruturas que os problemas de levantamento dos apoios são mais acentuados, pelo que também se desaconselha o recurso a sistemas de isolamento de base nestes casos, que normalmente não apresentam resistência à tracção (ou esta é demasiado baixa).
Nas situações em que se verifica a existência de acções laterais não-sísmicas muito elevadas, como poderá ser o caso da acção do vento, o isolamento sísmico poderá não ser uma solução aceitável. O sistema de isolamento de base deverá resistir a essas acções máximas sem entrar em cedência, com vista a evitar deslocamentos e vibrações inaceitáveis na condição de estado limite de serviço. Este problema é normalmente acautelado através duma rigidez inicial mais elevada, como se demonstrará no Capítulo 3. Há autores que desaprovam o uso de isolamento sísmico quando as acções laterais de serviço excedem 10% do peso da estrutura (Mayes e Naeim, 2001).
Quando não se observam as situações descritas nos últimos três parágrafos e os problemas construtivos a desenvolver no subcapítulo seguinte não são demasiado condicionantes, a utilização de sistemas de isolamento de base em estruturas de edifícios apresenta grandes potencialidades na protecção sísmica.
2.4.PROBLEMAS CONSTRUTIVOS DOS SISTEMAS DE ISOLAMENTO DE BASE
Apesar de contribuir para a grande diminuição dos deslocamentos relativos entre pisos das estruturas de edifícios, a utilização de isolamento sísmico causa um grande deslocamento na base acompanhado por todo a estrutura, que se move como um bloco inteiro na direcção horizontal; este deslocamento poderá atingir várias dezenas de centímetros. Como o movimento da estrutura se aproxima a movimento de um corpo rígido, este deslocamento elevado praticamente não causa deformações nos elementos estruturais. Contudo, este movimento provoca alguns problemas práticos na concepção dos edifícios com isolamento sísmico.
O primeiro requisito para a utilização de sistemas de isolamento de base é a existência de espaço circundante a toda a estrutura capaz de garantir o livre movimento desta na resposta a movimentos sísmicos. O facto de a estrutura de um edifício com isolamento sísmico não poder ter qualquer ligação rígida com o exterior para além da que partilha com o sistema de isolamento de base, sob o risco de perder a condição de estrutura isolada, constitui também a necessidade de isolar a estrutura a nível da sua implantação.
No caso do edifício com isolamento de base se encontrar invariavelmente junto a outro edifício, deverão ser colocadas juntas no encontro de ambos. O mesmo acontece quando num complexo de edifícios arquitectonicamente ligados é utilizado isolamento sísmico na estrutura de cada um. Nesta situação, as estruturas estão separadas entre si e têm isolamento sísmico mas os edifícios estão conectados do ponto de vista arquitectónico, pelo que é necessária a colocação de juntas entre os edifícios, adequadamente integradas na arquitectura do conjunto.
É fundamental a tomada de precauções quanto às ligações eléctricas, de água, de esgotos, de gás, entre outras. Apesar das ligações por cabos como as de electricidade e as de telecomunicações apresentarem uma rigidez negligenciável que não restringe o movimento da estrutura, deve existir uma folga mínima para enfrentar os deslocamentos previstos. Por outro lado, as condutas rígidas deverão estar articuladas
nas zonas de ligação do edifício ao meio exterior, apresentando-se flexíveis nas direcções longitudinal e transversal.
As zonas de acesso aos edifícios isolados requerem uma pormenorização especial, nomeadamente em escadas e em rampas; estas pertencem ao corpo da estrutura e as suas ligações ao exterior podem realizar-se com recurso a juntas.
Alguns problemas construtivos dependem da escolha do local de colocação do sistema de isolamento de base. Nas Figuras 2.6a) a 2.6d) apresentam-se diferentes soluções de aplicação em estruturas de edifícios com ou sem cave (Mayes e Naeim, 2001). Como se descreve no Capítulo 3, os sistemas de isolamento de base constituídos por blocos, como os representados ao longo da Figura 2.6, são os mais vulgarmente utilizados no isolamento sísmico de estruturas de edifícios.
a) b)
c) d)
Figura 2.6 – Diferentes soluções de colocação de sistemas de isolamento de base em edifícios com e sem cave (Mayes e Naeim, 2001)
Os autores referem as seguintes vantagens e desvantagens de cada solução:
a) Esta opção apresenta vantagens no facto de dispensar os detalhes especiais exigidos na separação de serviços internos, como elevadores e escadas, e no revestimento de separações. As bases das colunas estão ligadas por um diafragma ao nível do isolamento. A sua principal desvantagem reside na obrigatoriedade de construir um muro de contenção em separado (independente); se a sub-cave não for necessária para outros propósitos, os custos da sua construção são igualmente desvantajosos.
b) O benefício principal desta concepção é a adição mínima de custos estruturais e do facto de não exigir a construção de uma sub-cave. Também as bases das colunas estão ligadas por um diafragma ao nível do isolamento. As desvantagens centram-se nos tratamentos especiais em relação a elevadores e escadas internas abaixo do nível do primeiro piso. c) Esta solução acarreta custos estruturais adicionais mínimos e incorpora uma simples
separação ao nível do isolamento de base. As bases das colunas também estão ligadas por um diafragma ao nível do isolamento. No entanto, requer muros de contenção em consola.
d) Esta opção também adiciona custos estruturais mínimos, tornando-se mais económica se o primeiro nível for utilizado para estacionamento. Contudo, sujeita a especiais detalhes para elevadores, escadas e outros serviços verticais e para revestimentos (se o primeiro nível não estiver aberto).
Observa-se que nas soluções que criam um plano de descontinuidade entre pisos (Figuras 2.6b e 2.6d), a concepção da caixa de elevador que os atravessa deverá ter em conta um espaço livre que permita o movimento sem restrições da estrutura isolada. A Figura 2.7 demonstra esse pormenor construtivo.
Em outras estruturas como reservatórios e centrais nucleares, os sistemas de isolamento sísmico são normalmente incorporados na base destas, enquanto no caso das pontes são colocados entre o tabuleiro e os pilares e encontros.
Qualquer que seja a solução escolhida para a aplicação de um sistema de isolamento de base, a garantia da possibilidade de acesso aos isoladores para operações de manutenção ou reparação é indispensável.
2.5.APLICAÇÕES DO ISOLAMENTO DE BASE 2.5.1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA
Considera-se que a primeira tentativa de isolar uma estrutura do meio exterior ocorreu no séc. VI a.C., na construção do Mausoléu de Ciro, o Grande (Figura 2.8), na antiga cidade persa de Pasárgada.
Figura 2.8 – Mausoléu de Ciro, o Grande (local arqueológico de Pasárgada, Irão)
Após esse marco histórico, apenas no séc. XIX apareceram esboços de sistemas de isolamento sísmico para estruturas de edifícios. O sistema de isolamento de base patenteado em 1870 pelo francês Jules Touaillon envolvia o uso de apoios esféricos colocados entre superfícies côncavas da base da estrutura e da sua fundação (Figura 2.9), constituindo uma aproximação ao conceito do sistema actual “Double Concave Friction Pendulum” (DCFP).
Em 1906, Jakob Bechtold propôs outro sistema, sugerindo a utilização de uma almofada de bolas de metal sob a base da estrutura, funcionando como uma camada de isolamento (Figura 2.10).
Figura 2.10 – Sistema idealizado por Jakob Bechtold em 1906 e patenteado em 1907
No ano de 1909, o médico inglês Dr. Johannes Calantarients elabora com mais pormenor um sistema de isolamento sísmico constituído por uma camada de areia fina e de talco na base do edifício, inclusivamente com pormenores das ligações das condutas ao exterior (Figura 2.11).
Todavia, a primeira utilização documentada de um sistema de isolamento de base data de 1969, em Skopje, cidade situada na antiga Jugoslávia (actualmente a capital da Antiga República Jugoslava da Macedónia), na escola Heinrich Pestalozzi (Figura 2.12a). Este sistema consistiu em assentar a estrutura em blocos de borracha não reforçada (Figura 2.12b), com ligações do edifício ao meio exterior concretizadas por elementos fusíveis em porcelana (Figura 2.12c), que estão dimensionados para resistir a forças horizontais até determinado valor, a partir do qual se quebram, permitindo a vibração livre da estrutura sobre os seus apoios (Guerreiro, 1997).
a) b)
c)
Figura 2.12 – a) Escola Heinrich Pestalozzi, em Skopje (ARJM); b) Bloco de borracha não reforçada; c) Blocos fusíveis em porcelana
A divulgação e a criação de novos sistemas de isolamento de base, juntamente com os avanços registados na tecnologia e nos conhecimentos sobre os sismos e a forma como estes afectam as estruturas, levaram a que a partir dos anos setenta e até à actualidade se proliferasse o recurso ao isolamento sísmico por vários países e continentes, tanto na construção de novas estruturas como na reabilitação estrutural, tornando-se numa das principais ferramentas da protecção sísmica. Uma contabilização dos edifícios isolados efectuada no ano de 2005 é apresentada na Figura 2.13. Considerando que o número total de edifícios com isolamento de base rondava a centena a meio da década anterior (Guerreiro, 1997) e comparando com os valores da Figura 2.13, é notória a expansão desta técnica nos últimos anos.
Figura 2.13 – Número de aplicações de isolamento sísmico em edifícios no Mundo em 2005 (Forni, 2005)
Um caso particular do crescimento do número de utilizações de isolamento de base registou-se no Japão, nomeadamente após o sismo de Kobe em 17 de Janeiro de 1995 (Nakashima e Chusilp, 2003). A Figura 2.14 aponta essa evidência.
Figura 2.14 – Evolução cronológica do número de aplicações de isolamento sísmico no Japão (Forni, 2005)
2.5.2. EXEMPLOS DA UTILIZAÇÃO DE ISOLAMENTO DE BASE EM NOVAS ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS
A distribuição geográfica das aplicações de isolamento sísmico é facilmente perceptível, com uma grande concentração em zonas muito sísmicas como o Japão e a costa sudoeste dos EUA. Por outro lado, a vertente económica tem um grande peso na escolha de isolar uma estrutura, levando a que o isolamento sísmico seja quase exclusivo de edifícios de maior importância estratégica, económica ou humana, de pontes e de centrais nucleares. Visto que nas zonas sísmicas mencionadas existem grandes centros económicos e residenciais, é natural que a utilização dos sistemas de isolamento de base seja tão significativa nesses locais.
Em seguida descrevem-se alguns exemplos de estruturas de edifícios construídas com isolamento sísmico.
i. Hospital da Luz, Lisboa, Portugal (2007) (Ferreira, 2006):
Esta foi a primeira utilização de isolamento de base num edifício em Portugal. Este complexo integrado de saúde é formado por dois edifícios independentes, funcionando um como equipamento de saúde (hospital e residências medicalizadas) e outro como residências para a 3.ª idade (apartamentos). A solução de isolamento sísmico foi escolhida para garantir o bom funcionamento da estrutura face às acções sísmicas e às vibrações decorrentes da proximidade de duas galerias do metropolitano e de um túnel rodoviário previsto para construção.
O edifício hospitalar tem nove pisos, sendo quatro deles enterrados, com uma área de implantação de aproximadamente 110 x 110 m2. O edifício de apartamentos tem quatro pisos, um dos quais enterrado, com uma área de implantação de cerca de 55 x 110 m2, desenvolvendo-se nas extremidades dois blocos com três pisos adicionais.
O sistema de isolamento de base é constituído por blocos de borracha de alto amortecimento do tipo HDRB (“High Damping Rubber Bearing”), distribuindo-se 195 apoios no edifício hospitalar e 120 apoios no edifício de apartamentos, com diâmetros desde 400 a 900 milímetros.
A colocação dos isoladores foi diferente nos dois edifícios. No edifício de apartamentos, os aparelhos de apoio foram implantados imediatamente acima das fundações; os muros de contenção funcionam em consola porque não pode haver ligação entre as lajes do piso -1 e do piso 0, pois estas encontram-se isoladas. No edifício hospitalar, atendendo à profundidade da escavação (variável entre 12 e 17 metros), colocaram-se os isoladores consideravelmente acima das fundações, imediatamente abaixo do piso -1 (primeiro piso destinado a serviços hospitalares), de forma a assegurar o travamento horizontal das paredes de contenção. Em ambos os edifícios foi criado um piso técnico destinado ao acesso aos isoladores.
Instalaram-se também calços em betão que permitem suportar a estrutura no caso de ocorrerem problemas que ameacem a integridade de um aparelho de apoio, apesar da muito reduzida probabilidade dessa situação.
A Figura 2.15 permite observar os aparelhos de apoio; algumas peças desenhadas são apresentadas na Figura 2.16.
a) b)
Figura 2.15 – a) Sistema de isolamento de base do Hospital da Luz em Lisboa; b) Aparelho de apoio (bloco de borracha de alto amortecimento) e respectivos calços em betão
Figura 2.16 – Peças desenhadas do sistema de isolamento de base do Hospital da Luz
ii. Hospital da Universidade do Sul da Califórnia, Los Angeles, Califórnia (1991):
Este hospital universitário tem 8 pisos, uma área de 35.000m2 e uma estrutura constituída por pórticos metálicos contraventados, apresentando uma configuração irregular em planta, visível na Figura 2.17. O seu sistema de isolamento de base consiste na combinação de blocos de elastómero com núcleo de chumbo (LRB – “Lead Rubber Bearing”), dispostos na periferia para conferir maior rigidez de torção ao conjunto, com blocos simples de elastómero, dispostos na zona interior (Guerreiro, 1997).
Figura 2.17 – Hospital da Universidade do Sul da Califórnia, Los Angeles, Califórnia (1991)
Com cerca de 300 desses aparelhos de apoio, resistiu sem quaisquer danos estruturais ao sismo de Northridge, em 17 de Janeiro de 1994 (Moutinho, 2007).
iii. Foothill Communities Law and Justice Center, San Bernardino, Califórnia (1985):
Este edifício (Figura 2.18a) foi o primeiro a ser construído com isolamento de base nos EUA e o primeiro a utilizar como sistema de isolamento blocos de apoio em elastómero de alto amortecimento (HDLRB), situando-se a apenas 20 km da falha de Santo André. É constituído por cinco pisos, sendo um deles enterrado, e tem uma área de 15.300 m2; a sua estrutura é composta por pórticos metálicos contraventados, existindo paredes de betão armado coincidentes com os alinhamentos destes entre a base da cave e o nível térreo (Guerreiro, 1997).
A estrutura é suportada por 98 blocos de apoio com 76 cm de diâmetro exterior e 61 cm de diâmetro de chapa e de diferentes espessuras de chapa e elastómero (Figura 2.18b). A análise correspondente ao sismo máximo credível durante o dimensionamento inicial indicou um deslocamento máximo dos apoios dos cantos de 381 mm (Tarics et al., 1984). Visto ter sido a primeira implementação deste tipo de sistema naquele país, foram inicialmente testados quatro protótipos e posteriormente produzidos e testados os aparelhos de apoio utilizados; também por esse motivo, estabeleceu-se um programa de manutenção de longo prazo que especificava que se deveriam remover e testar alguns desses aparelhos dez anos depois da sua instalação. Os resultados de testes realizados em blocos produzidos mais de 12 anos antes apontaram para a diminuição máxima em aproximadamente 15% das rigidezes horizontais de cada e para o facto das rigidezes verticais individuais serem virtualmente idênticas às iniciais (Clark et al., 1997).
a) b)
Figura 2.18 – a) Foothill Communities Law and Justice Center, San Bernardino, Califórnia (1985); b) Aparelhos de apoio (bloco de borracha de alto amortecimento)
2.5.3. EXEMPLOS DA UTILIZAÇÃO DE ISOLAMENTO DE BASE NA REABILITAÇÃO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS A reabilitação estrutural de um edifício insere-se no contexto actual de preocupação em intervir sobre estruturas mais antigas com elevado valor patrimonial; os motivos para se efectuar um reforço da estrutura a nível da sua resistência sísmica podem ser agrupados em três situações (Guerreiro, 1997):
• Edifícios antigos em estado de maior ou menor degradação, construídos com técnicas construtivas e soluções estruturais distintas das actuais; as propriedades mecânicas dos seus materiais podem também não oferecer as condições de segurança exigidas face a acções sísmicas.
• Edifícios de grande importância construídos de acordo com regulamentação anterior e que não verificam regras de segurança sísmica actualizadas e mais exigentes.
• Edifícios em que o tipo de utilização é alterado, sendo este mais exigente do que o original ou cujas exigências de comportamento aumentaram.
A escolha do isolamento de base entre os sistemas de protecção sísmica é muitas vezes baseada na necessidade de preservar a arquitectura original do edifício, pois a sua colocação ao nível das fundações minimiza o impacto nesta. A sua intervenção localizada e numa área de menor relevância também é importante se se pretender evitar uma grande perturbação no funcionamento do edifício. Naturalmente, os problemas construtivos correspondentes à colocação do sistema de isolamento de base são um aspecto negativo, pois é necessário separar a estrutura das suas fundações e transferir as cargas verticais para os dispositivos de isolamento, o que constitui um conjunto de operações que carecem de equipamento e programação adequados. Estes problemas acentuam-se em edifícios de maior dimensão, mais deteriorados ou ligados a outros.
Seguidamente são descritos exemplos de estruturas de edifícios reabilitadas com isolamento sísmico. i. San Francisco City Hall, Califórnia (conclusão da construção em 1915 e da reabilitação
em 1998) (Chopra, 2007):
Este edifício (Figura 2.19) listado na National Register of Historic Places substituiu a anterior sede que fora destruída pelo sismo de São Francisco em 18 de Abril de 1906, tendo sido danificado pelo sismo de Loma Prieta em 17 de Outubro de 1989, o que motivou a sua reabilitação.
Trata-se de um edifício de grandes dimensões, com dimensões de 125m x 95m em planta e uma cúpula a 90 metros de altura do piso térreo e composto por uma estrutura metálica. O isolamento de base foi escolhido para preservar a arquitectura histórica, mas também se reforçou a estrutura com novas shear wall no interior do edifício. O sistema de isolamento sísmico consiste em 530 isoladores do tipo LRB colocados nas bases das colunas e das shear wall. Cada um destes aparelhos tem uma altura de 53 cm e um diâmetro entre 79 e 91 cm.
O período fundamental da estrutura com base fixa situava-se aproximadamente nos 0,9 s; com um período de 2,5 s, o edifício isolado tem um deslocamento estimado entre os 46 e os 66 cm face a um sismo de dimensionamento com PGA (peak ground acceleration) igual a 0,4g, pelo que existe uma folga de 71 cm para se colocarem articulações flexíveis em cabos e condutas.
A instalação dos aparelhos de apoio relevou-se muito complicada e exigiu reforçar as colunas, cortá-las e transferir os carregamentos para suportes temporários.
ii. City and County Building, Salt Lake City, Utah (conclusão da construção em 1894 e da reabilitação em 1988):
Trata-se de um edifício em alvenaria não reforçada com 5 pisos e uma área de 40 x 80 m2, tendo no centro uma torre de relógio com 12 pisos (Figura 2.20). Tal como no exemplo anterior, a preocupação em manter a arquitectura e a decoração original levou a recorrer ao isolamento sísmico para reabilitar esta estrutura.
Previamente à instalação dos isoladores, procedeu-se a uma consolidação das alvenarias e ao reforço do pavimento térreo e da cobertura do quinto piso, que teve como objectivo transformar o edifício numa espécie de “caixa” rígida, optimizando o comportamento do sistema de isolamento de base. A implantação do sistema exigiu uma operação delicada de corte da base das paredes e de transferência das cargas para os aparelhos de apoio (Guerreiro, 1997).
Um total de 447 isoladores foi utilizado para suportar as paredes exteriores e interiores da estrutura, cujo período fundamental na situação de base fixa era aproximadamente igual a 0,5 s. Estes apoios são do tipo LRB e têm aproximadamente 41 cm de lado e 38 cm de altura (Chopra, 1995).
Figura 2.20 – City and County Building, Salt Lake City, Utah
iii. Tokyo DIA Building 1-4, Tóquio (quatro edifícios construídos entre 1973 e 1985 e reabilitados entre 1999 e 2001) (Miyake et al., 2004):
Este complexo de escritórios e de salas de computadores sofreu uma intervenção dividida em duas fases distintas: a primeira envolveu a aplicação de isolamento de base nos quatro edifícios já existentes e a segunda correspondeu à construção de uma nova estrutura com isolamento sísmico. Como esta secção aborda a reabilitação de edifícios, é apenas descrita a primeira fase, esboçada na Figura 2.21.
O dono de obra pretendia uma melhor protecção sísmica em prol da segurança do edifício e dos seus ocupantes, mas também com o intuito de proteger computadores e equipamento sensível. A solução de isolamento de base revelou-se importante ao não causar grandes problemas de ruídos e vibrações, o que praticamente não perturbou o trabalho de 24 horas que se realiza naqueles edifícios.
Este conjunto de quatro edifícios tem uma área de implantação total igual a 6.414,5 m2 e um total de 11 (parcialmente 12) pisos elevados e 1 piso enterrado.
Ao todo foram colocados 264 blocos de elastómero: 230 blocos com um diâmetro de 700 mm e 14, 11, 4 e 5 blocos com 750, 800, 900 e 1000 mm de diâmetro, respectivamente. Monitorizações posteriores revelaram um comportamento satisfatório do sistema de isolamento face a pequenos sismos registados.
A par do isolamento de base, também foram implantados 28 amortecedores viscosos.
