i RESUMO
Os sismos representam um dos desastres naturais que mais impacto tem junto das populações, não só pelos prejuízos humanos e materiais causados mas também pela sua imprevisibilidade
Os hospitaias constituem um tipo de edifício que requer um estudo e uma análise mais limitativa relativamente às considerações a serem tomadas na quantificação das acções, sendo a acção sísmica a acção que mais danos provoca numa estrutura. Deverá existir uma preocupação extra em se garantir uma estrutura sismo-resistente em edifícios com este tipo de uso, o que será possivel aplicando-se as regras estipuladas nas Especificações Técnicas para o Comportamento Sismo-Resistentes de edifícios hospitalares. Este documento normativo vem adaptar o estudo já efectuado no EC8 a edifícios que durante a sua vida útil desempenharão funções com carácter hospitalar.
As instalações hospitalares representam um tipo de construção que requer um projecto e uma
construção com um nível de protecção sísmica diferenciado relativamente aos edifícios correntes. Esta diferenciação deve-se ao facto destas estruturas apresentarem um risco sísmico aumentado
proporcionado quer pelo elevado e permanente nível de ocupação do edifício quer pelo elevado valor material que aí se encontra. Emerge então a necessidade de se garantir um bom comportamento da estrutura após a ocorrência de um sismo, dada a função social relevante que estas construções representam.
Neste estudo serão tidas em consideração todas as regras de dimensionamento estrutural mencionadas no Eurocódigo2, Eurocódigo 8 e nas especificações acima referidas. Estas regras serão aplicadas a um caso de estudo de um edifício hospitalar a ser projectado com as características apropriadas para se construir nas zonas mais a norte de Portugal continental. A cidade escolhida foi Coimbra dado ser uma zona para a qual a Associação Regional de Saúde do Norte (ARSN) não tem previsto um projecto novo para um edifício hospitalar. Uma vez que esta cidade é um dos principais centros urbanos de Portugal, considerou-se pertinente realizar o presente estudo direccionado para essa zona do território português.
A descrição e justificação das decisões tomadas e as peças desenhadas representarão o resultado final desta tese.
Palavras chave:
Estruturas simo-resistentes, “Especificações Técnicas para o Comportamento Sismo-Resistentes de
ii Abstract
The earth quakes are one of the natural disasters with more impact on the populations, not only because the human and material damages but also because their unpredictability.
Hospitals are a type of building that requires a study and analyses more limitative in concern of the considerations that have to be taken in the quantification of the actions, once, that the seismic action is the one that causes more damages on the structure. It has to exist an extra care in order to guarantee a seismic-resistant structure in buildings with this kind of use, this would be possible by using the roles set in “Technical Specifications of earthquake-resistant behavior in hospital buildings”. This
normative document adapts the study done in EC8 to buildings that in their life will be use as a hospital.
The hospital installations represent a type of construction that require a projection and construction with a differential level of seismic protection compared with the ordinary buildings. This difference exists because of the fact that this structures present a higher seismic risk due to the permanent and great level of human occupation, and also because the material value found in hospitals. So, emerge the need of guarantee a god behavior of the structure after an earthquake, due to the relevant social function that this construction represents.
In this study, will be consider all the roles for the structural dimensioning mentioned on the EC2, EC8 and in the specifications noted above. These roles will be applied to a case of study of a Hospital that will be projected with the right characteristics for being built in the north region of continental Portugal. The city that was chosen was Coimbra, because this city doesn’t have any new project for a hospital, in study by the “Associação Regional de Saúde do Norte (ARSN)”. This city is one of the biggest urban center of Portugal, that’s why it was consider relevant perform this study to the north Portuguese territory.
The description and justification of the decisions that were made and the objects designed will represent the final result of this thesis
114 ÍNDICE GERAL RESUMO………...i ABSTRACT……….ii 1. INTRODUÇÃO... 1 1.1. Preâmbulo ... 1 1.2. Objectivos do projecto... 1 1.3. Metodologia... 2 1.3.1. Caso de estudo 2 1.3.2. Organização da tese 6 1.3.3. Regulamentação aplicada 6 2. CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 9
2.1. Descrição geral do edifício hospitalar ... 9
2.2. Materiais... 10
2.3. Quantificação das acções... 10
2.3.1. Estados limites a considerar no dimensionamento ... 10
2.3.2. Tipos de acções ... 11
2.3.3. Acção do vento... 12
2.3.3.1. Caracterização da acção do vento no edifício ... 13
2.3.4. Acção sísmica... 15
2.3.4.1. Enquadramento... 15
2.3.4.2. Concepção sismo-resistente de estruturas de edifícios hospitalares ... 15
2.3.4.3. Modelos de análise estrutural... 16
2.3.4.4. Quantificação da acção sísmica... 17
2.3.4.5. Definição do espectro de resposta de dimensionamento ... 19
2.3.4.6. Caracterização da acção sísmica no edifício e algumas considerações para a análise da deriva entre pisos... 19
115
3. PROJECTO DO EDIFÍCIO HOSPITALAR SOLUÇÃO A...23
3.1. Sistema Estrutural de Lajes maciças com vigas ... 23
3.2. Plantas estruturais... 24
3.3. Pré-dimensionamento expedito dos elementos estruturais de estudo... 27
3.3.1. Lajes maciças ... 27
3.3.2. Pilares ... 27
3.3.3. Vigas... 28
3.3.4. Escadas ... 28
3.4. Modelos de análise estrutural... 31
3.4.1. Lajes maciças com vigas e paredes tipo “frame” ... 31
3.4.2. Laje maciça com vigas e paredes tipo “shell” ... 34
3.4.3. Discussão dos dois modelos de análise estrutural ... 37
3.5. Dimensionamento final dos elementos estruturais de estudo ... 43
3.5.1. Lajes maciças ... 43
3.5.2. Pilares ... 43
3.5.3. Vigas... 47
3.5.4. Escadas ... 51
3.5.5. Paredes... 51
3.5.5.1. Dimensionamento final das paredes... 54
4. PROJECTO DO EDIFÍCIO HOSPITALAR - SOLUÇÃO B ...59
4.1. Sistema estrutural de lajes fungiformes ... 59
4.2. Plantas estruturais... 60
4.3. Pré-dimensionamento expedito dos elementos estruturais de estudo... 63
4.3.1. Lajes Fungiformes... 63
116
4.4.1. Lajes fungiformes com paredes tipo “frame”... 65
4.4.2. Laje fungiformes com paredes tipo “shell” ... 65
4.4.3. Discussão dos dois modelos de análise estrutural... 66
4.5. Dimensionamento final dos elementos estruturais de estudo ... 71
4.5.1. Lajes fungiformes... 71
4.5.2. Pilares... 72
4.5.3. Vigas... 73
4.5.4. Paredes... 74
5. COMPARAÇÃO E DISCUSSÃO DAS DUAS SOLUÇÕES... 79
5.1. Estudo comparativo dos esforços gerados nas duas soluções e consequentes armaduras . 79 5.1.1. Pilares... 79
5.1.2. Vigas... 80
5.1.3. Lajes ... 81
5.1.4. Paredes... 81
5.2. Estudo comparativo dos materias utilizados e custos associados... 86
5.3. Estudo comparativo dos deslocamentos entre pisos “drift´s” em estados limites de utilização... 89
5.4. Estudo comparativo dos deslocamentos entre pisos “drift´s” em estados limites últimos . 91 5.5. Conclusão ... 93
ANEXO A1 ... 97
ANEXO A2 ... 105
118
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1-PLANTA DE ARQUITECTURA GLOBAL DO EDIFÍCIO HOSPITALAR...3
FIGURA 1.2-PLANTA DE ARQUITECTURA DO PISO TIPO DA UNIDADE ESTRUTURAL EM ESTUDO...4
FIGURA 1.3-CORTE A-B DA UNIDADE ESTRUTURAL EM ESTUDO...5
FIGURA 2.1VISÃO GLOBAL DO EDIFÍCIO...9
FIGURA 2.2-VISÃO GLOBAL DO EDIFÍCIO PARA DEFINIÇÃO DAS QUATRO FACHADAS...13
FIGURA 2.3–ZONAMENTO SÍSMICO PARA ACÇÕES SÍSMICAS TIPO I E TIPO II(ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PARA O COMPORTAMENTO SISMO-RESISTENTE DE EDIFÍCIOS HOSPITALARES) ...18
FIGURA 2.4–ESPECTRO DE RESPOSTA PARA A ACÇÃO SÍSMICA TIPO I EM ELS...20
FIGURA 2.5–ESPECTRO DE RESPOSTA PARA A ACÇÃO SÍSMICA TIPO I EM ELU...21
FIGURA 2.6–ESPECTRO DE RESPOSTA PARA A ACÇÃO SÍSMICA TIPO II EM ELS ...21
FIGURA 2.7–ESPECTRO DE RESPOSTA PARA A ACÇÃO SÍSMICA TIPO II EM ELU...21
FIGURA 3.1–PLANTA DAS DUAS CAVES E RÉS-DO-CHÃO...24
FIGURA 3.2–PLANTA DO PISO 1 E PISO 2 ...25
FIGURA 3.3–PLANTA DA COBERTURA...26
FIGURA 3.4–VISÃO GERAL DAS ESCADAS...29
FIGURA 3.5–SISTEMA ESTRUTURAL RESISTENTE DAS ESCADAS...30
FIGURA 3.6–SISTEMA ESTRUTURAL SIMPLIFICADO DAS ESCADAS...31
FIGURA 3.7–VISTA GLOBAL DO MODELO TIPO “FRAME”UTILIZADO NA SOLUÇÃO A...32
FIGURA 3.8–PORMENOR DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO A TIPO “FRAME”...33
FIGURA 3.9–PORMENOR DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO A TIPO “FRAME” COM OS ELEMENTOS DEFINIDOS COM AS SUAS SECÇÕES...34
FIGURA 3.10–VISTA GLOBAL DO MODELO TIPO “SHELL”UTILIZADO NA SOLUÇÃO A...35
FIGURA 3.11–PORMENOR DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO A TIPO “SHELL”...36
FIGURA 3.12–PORMENOR DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO A TIPO “SHELL” COM OS ELEMENTOS DEFINIDOS COM AS SUAS SECÇÕES...37
FIGURA 3.13–PRINCIPAIS MODOS DE VIBRAÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO A TIPO “FRAME”...38
FIGURA 3.14–PRINCIPAIS MODOS DE VIBRAÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO A TIPO “SHELL”...39
FIGURA 3.15–ESFORÇOS AXIAIS NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I)...40
FIGURA 3.16–MOMENTOS SEGUNDO A DIRECÇÃO Y NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I) ...40
FIGURA 3.17–CORTE BASAL SEGUNDO A DIRECÇÃO X NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I) ...41
FIGURA 3.18-SOLUÇÃO FINAL DO PILAR P17, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE...46
FIGURA 3.19-SOLUÇÃO FINAL DO PILAR P37, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE...47
FIGURA 3.20-SOLUÇÃO FINAL DAS ESCADAS...51
FIGURA 3.21-ESQUEMA ELUCIDATIVO PARA OBTENÇÃO DO DIAGRAMA DE MOMENTOS DE DIMENSIONAMENTO EM PAREDES ESBELTAS E DÚCTEIS...52
FIGURA 3.22-SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA9, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE...55
FIGURA 3.23-SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA2, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE...56
FIGURA 3.24-SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA7, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE...57
FIGURA 3.25-SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA8, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE...58
FIGURA 4.1–PLANTA DO PISO -1, PISO 0 E PISO1 ...60
FIGURA 4.2–PLANTA DO PISO2 E PISO3...61
FIGURA 4.3–PLANTA DA COBERTURA...62
FIGURA 4.4–ESQUEMA DA LAJE FUNGIFORME NERVURADA...63
FIGURA 4.5–VISTA GLOBAL DO MODELO TIPO “FRAME” UTILIZADO NA SOLUÇÃO B. ...65
FIGURA 4.6–VISTA GLOBAL DO MODELO TIPO “SHELL” UTILIZADO NA SOLUÇÃO B. ...66
FIGURA 4.7–PRINCIPAIS MODOS DE VIBRAÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL DA SOLUÇÃO B TIPO “FRAME”...67
119
FIGURA 4.9ESFORÇOS AXIAIS NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS... 69
FIGURA 4.10MOMENTOS My NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS... 69
FIGURA 4.11CORTE BASAL SEGUNDO DIRECÇÃO X NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS... 69
FIGURA 4.12SOLUÇÃO FINAL DO PILAR P17, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE... 72
FIGURA 4.13SOLUÇÃO FINAL DO PILAR P37, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE... 73
FIGURA 4.14SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA2, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE... 74
FIGURA 4.15SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA9´, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE... 75
FIGURA 4.16SOLUÇÃO FINAL DA PAREDE PA7, A) ZONA CRÍTICA, B) ZONA CORRENTE... 76
120
ÍNDICE DE QUADROS
QUADRO 2.1-PARÂMETROS RELATIVOS À ACÇÃO DO VENTO...13
QUADRO 2.2-COEFICIENTES DE FORMA...14
QUADRO 2.3-QUANTIFICAÇÃO DA ACÇÃO DO VENTO SEGUNDO A DIRECÇÃO X ...14
QUADRO 2.4-QUANTIFICAÇÃO DA ACÇÃO DO VENTO SEGUNDO A DIRECÇÃO Y ...14
QUADRO 2.5–PARÂMETROS PARA A QUANTIFICAÇÃO DA ACÇÃO SÍSMICA...20
QUADRO 3.1–CARACTERÍSTICAS DAS DUAS CAVES E RÉS-DO-CHÃO...24
QUADRO 3.2–CARACTERÍSTICAS DO PISO 1 E PISO 2...25
QUADRO 3.3–CARACTERÍSTICAS DO PISO 3 ...26
QUADRO 3.4–DIMENSÕES DOS PILARES PARA AS DUAS SOLUÇÕES...28
QUADRO 3.5–CARACTERÍSTICAS DAS ESCADAS...29
QUADRO 3.6–QUANTIFICAÇÃO DOS PARÂMETROS DA ANÁLISE MODAL...38
QUADRO 3.7-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I)...41
QUADRO 3.8-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA9 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I)...41
QUADRO 3.9-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II) ...41
QUADRO 3.10-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA9 NOS DOIS MODELOS,(SISMO TIPO II)...42
QUADRO 3.11-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA7 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I)...42
QUADRO 3.12-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA8 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I)...42
QUADRO 3.13-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA7 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II)...42
QUADRO 3.14-VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA8 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II) ...42
QUADRO 3.15-QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NAS LAJES MACIÇAS...43
QUADRO 3.16-REGRAS PRINCIPAIS PARA A ARMADURA LONGITUDINAL DOS PILARES EM ELU ...44
QUADRO 3.17-REGRAS PRINCIPAIS PARA A ARMADURA TRANSVERSAL DOS PILARES EM ELU...45
QUADRO 3.18QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NOS PILARES...46
QUADRO 3.19-REGRAS PRINCIPAIS PARA A ARMADURA LONGITUDINAL EM ELU ...47
QUADRO 3.20-REGRAS PRINCIPAIS PARA A ARMADURA DE CORTE EM ELU...48
QUADRO 3.21-QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NA VIGA DE BORDADURA...49
QUADRO 3.22-QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NA VIGA V5 E VIGA V11 ...50
QUADRO 3.23-QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NAS ESCADAS...51
QUADRO 3.24-REGRAS PRINCIPAIS PARA A ARMADURA LONGITUDINAL EM ELU ...53
QUADRO 3.25-REGRAS PRINCIPAIS PARA A ARMADURA TRANSVERSAL EM ELU ...54
QUADRO 3.26-QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA9...55
QUADRO 3.27-QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA2...56
QUADRO 3.28-QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA7...57
QUADRO 3.29-QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA8...58
QUADRO 4.1-CARACTERÍSTICAS DO PISO-1, DO PISO 0 E DO PISO1...60
QUADRO 4.2-CARACTERÍSTICAS DA PLANTA DO PISO2 E PISO3 ...61
QUADRO 4.3-CARACTERÍSTICAS DA PLANTA DA COBERTURA...62
QUADRO 4.4–QUANTIFICAÇÃO DOS PARÂMETROS DA ANÁLISE MODAL...66
QUADRO 4.5–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I) ...69
QUADRO 4.6–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA9 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I) ...70
QUADRO 4.7–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA2 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II)...70
QUADRO 4.8–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA9 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II)...70
QUADRO 4.9–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA7 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I) ...70
QUADRO 4.10–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA8 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO I) ...70
QUADRO 4.11–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA7 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II)...71
QUADRO 4.12–VARIAÇÕES MÁXIMAS DE ESFORÇOS NA PAREDE PA8 NOS DOIS MODELOS (SISMO TIPO II)...71
121
QUADRO 4.14–QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NOS PILARES... 72
QUADRO 4.15–QUANTIFICAÇÃO DOS ESFORÇOS E ARMADURA NAS VIGAS... 73
QUADRO 4.16–QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA2 ... 74
QUADRO 4.17–QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA9 ... 75
QUADRO 4.18–QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA7 ... 76
QUADRO 4.19–QUANTIFICAÇÃO DA ARMADURA NA PAREDE PA8 ... 77
QUADRO 5.1-COMPARAÇÃO DO PILAR P17 NAS DUAS SOLUÇÕES... 79
QUADRO 5.2-COMPARAÇÃO DO PILAR P37 NAS DUAS SOLUÇÕES... 80
QUADRO 5.3-COMPARAÇÃO DA VIGA DE BORDADURA NAS DUAS SOLUÇÕES... 80
QUADRO 5.4-COMPARAÇÃO DAS LAJES NAS DUAS SOLUÇÕES... 81
QUADRO 5.5-CONFRONTO DE SOLUÇÕES DA PAREDE PA2... 82
QUADRO 5.6CONFRONTO DE SOLUÇÕES DA PAREDE PA9 ... 83
QUADRO 5.7CONFRONTO DE SOLUÇÕES DA PAREDE PA7 ... 84
QUADRO 5.8CONFRONTO DE SOLUÇÕES DA PAREDE PA8 ... 85
QUADRO 5.9–QUANTIDADE DE BETÃO UTILIZADA... 86
QUADRO 5.10–QUANTIDADE DE AÇO UTILIZADA EM KG... 86
QUADRO 5.11–CUSTO DE MATÉRIAS NOS VÁRIOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS... 87
QUADRO 5.12-CUSTOS DA SOLUÇÃO A ... 87
QUADRO 5.13-CUSTOS DA SOLUÇÃO B ... 88
QUADRO 5.14-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO 6 ... 89
QUADRO 5.15-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO 6 ... 89
QUADRO 5.16-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO C... 90
QUADRO 5.17-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO C... 90
QUADRO 5.18-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO 6 ... 91
QUADRO 5.19-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO 6 ... 91
QUADRO 5.20-DESLOCAMENTOS ENTRE PISOS NO PÓRTICO DO ALINHAMENTO C... 92
1
1
1.
INTRODUÇÃO
1.1. PREÂMBULO
Actualmente existe uma preocupação acrescida de dotar os edifícios com capacidades resistentes adequadas para que apresentem um bom comportamento estrutural na ocorrência de eventos sísmicos. Daí, a preocupação em actualizar a regulamentação existente a nível nacional, substituindo-a para uma regulamentação a nível Europeu (dotadas de anexos adaptados a cada pais) com o intuito de uniformizar todo o processo envolvido num projecto de betão armado.
A regulamentação prestes a entrar em vigor, para a análise sísmica, é o Eurocódigo 8 e substituirá a regulamentação existente que se intitula de Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas e Pontes.
Os hospitais representam um tipo de edifícios que requerem uma análise mais pormenorizada e mais limitativa do que os edifícios correntes. Este facto deve-se pelo motivo deste tipo de edifícios representarem uma função social relevante e, pelo facto de se ter de garantir um bom comportamento da estrutura após a ocorrência de um sismo.
Como este trabalho reflecte o dimensionamento de um edifício hospitalar, será utilizado um documento normativo que se intitula de Especificações Técnicas para o Comportamento Sismo-Resistentes de Edifícios Hospitalares [6] para a quantificação da acção sísmica. Estas especificações adaptam um estudo já efectuado no Eurocódigo 8 [5] a edifícios que desempenharão funções com carácter hospitalar.
Nesta perspectiva irá ser utilizado um caso de estudo de um edifício hospitalar que irá ser caracterizado com o decorrer do trabalho.
1.2. OBJECTIVOS DO PROJECTO
O objectivo deste projecto visa fundamentalmente a comparação de duas soluções estruturais distintas para a concepção de edifícios hospitalares face à acção sísmica. Esta análise irá focar-se essencialmente num confronto das duas soluções relativamente às quantidades de materiais e ao tipo de elementos estruturais a utilizar, mostrando a influência que estes parâmetros terão no comportamento estrutural e no custo global associado á construção. Todo o processo de análise irá ser definido de acordo com os critérios estipulados nos vários documentos normativos aqui empregues. Será utilizado, como caso de estudo, um edifício hospitalar ainda em fase de projecto. Importante será ainda mencionar que este edifício foi concebido para uma acção sísmica correspondente à zona norte do país. Será feito um dimensionamento dos elementos estruturais principais que poderão condicionar de uma forma significativa o resultado final deste estudo.
2
Irão ser definidos dois tipos de modelos estruturais de análise para cada solução. O facto de serem utilizados dois modelos por solução permitirá controlar os efeitos produzidos por algumas simplificações dos modelos de cálculo. No entanto, importa referir que em muitos dos casos torna-se vantajoso utilizar simplificações nos modelos de analise estrutural, desde que estas sejam devidamente estudadas e validadas, facilitando todo o processo de obtenção de resultados.
A realização da presente tese procurou mencionar todos os aspectos que a utilização de uma ou outra solução pode acarretar, em termos de vantagens ou desvantagens, na concepção de edifícios hospitalares.
1.3. METODOLOGIA
1.3.1. CASO DE ESTUDO
A presente tese de mestrado visa o estudo da avaliação da eficiência de duas soluções estruturais num edifício hospitalar, situado em Coimbra, face à acção sísmica.
Foi escolhida a cidade de Coimbra visto, segundo uma análise feita pela Associação Regional de Saúde do Norte (ARSN), estarem em estudo vários projectos de edifícios hospitalares para a zona norte e centro do país. Actualmente as estruturas devem estar dotadas de aptidões para apresentarem comportamentos adequados e seguros mediante qualquer acção a que possam vir a estar sujeitas. Apesar da acção sísmica nas zonas mais a norte do continente não apresentar níveis de actuação tão elevados como na zona sul do país, é contudo, na maioria dos casos o tipo de acção que mais condiciona o dimensionamento estrutural.
A análise do comportamento do edifício será efectuada de acordo com os critérios estipulados na legislação empregue, tendo em conta todas as acções a que este pode vir a estar sujeito. No entanto, neste estudo será a acção sísmica o assunto com mais ênfase, uma vez que constitui o tema principal desta tese. Dado ao presente estudo tratar-se de um edifício hospitalar, será utilizado um documento normativo específico para edifícios com este tipo de uso para a quantificação da acção sísmica. Este documento normativo que se intitula de Especificações Técnicas para o Comportamento
Sismo-Resistentes de Edifícios Hospitalares [6] estabeleceu os critérios e condições a observar no
dimensionamento sísmico dos edifícios hospitalares em Portugal. Contudo este tema será abordado com mais detalhe no capítulo relativo às quantificações das acções.
Este caso de estudo refere-se a um edifício hospitalar com geometria regular e é constituído por duas “unidades estruturais” separadas por uma junta de dilatação. A existência de uma junta de dilatação entre as duas unidades estruturais, leva a que as duas zonas apresentem um comportamento dinâmico independente.
É de referir ainda, que somente irá ser analisada uma das duas unidades estruturais do edifício global. A unidade estrutural a analisar é constituída por seis pisos, sendo dois deles caves. Importa salientar que a não utilização de elementos resistentes verticais nas extremidades dos dois pisos soterrados deve-se ao facto desta zona de estudo estar envolvida por muros de suporte independentes do edifício. Relativamente às comunicações verticais desta zona, o acesso aos vários pisos será somente efectuado com a utilização de escadas, uma vez que os elevadores se situam no outro corpo.
A parte do edifício que não será tema de estudo nesta tese é constituída por onze pisos, e permite uma comunicação entre pisos com a utilização de elevadores ou escadas. Apresenta-se na figura 1.1 uma planta de arquitectura que caracteriza as duas unidades estruturais independentes deste edifício hospitalar. A zona sombreada representa a unidade estrutural que será objecto de estudo neste trabalho.
3
A B
4
Relativamente à unidade estrutural a analisar, serão de seguida expostas duas figuras que a irão descrever. A figura 1.2 representará a planta de arquitectura do piso tipo da unidade estrutural em estudo. É de referir que foi com base nesta planta de arquitectura que foram tomadas todas as considerações relativamente ao posicionamento dos elementos estruturais verticais
A B
5 A figura 1.3 representará o corte A-B definido na planta global do edifício.
Figura 1.3-Corte A-B da unidade estrutural em estudo
Quanto às soluções estruturais, muitas alternativas seriam possíveis no entanto o presente trabalho irá aprofundar o estudo de dois tipos de solução estrutural:
solução A : sistema estrutural com lajes maciças apoiadas em vigas; solução B: sistema estrutural com lajes fungiformes aligeiradas.
Ambas as soluções serão caracterizadas com uma geometria regular e contraventadas com paredes de betão armado que nascem das fundações e que se elevam até ao último piso. Estes elementos de contraventamento serão os elementos estruturais principais que irão suportar os acréscimos de esforços, sobretudo esforços de corte e momentos flectores, gerados pela ocorrência de um sismo. Assim sendo, haverá a necessidade de se garantir um dimensionamento destes elementos estruturais capazes de resistir aos esforços provenientes de uma acção sísmica definida para a zona em questão. Uma vez obtidas as duas soluções finais A e B, segue-se uma análise mais cuidada de cada solução face às vantagens e desvantagens que a sua utilização poderá acarretar, no que diz respeito ao comportamento da estrutura global e ao custo final da obra.
Não irão ser dimensionados todos os elementos estruturais do edifício, mas sim os elementos estruturais principais que, pelas suas características previamente analisadas, condicionarão as quantidades de material necessário para a concepção do edifício.
O processo de cálculo estrutural “tradicional” será acompanhado de uma modelação de todos os elementos estruturais num programa de cálculo estrutural “SAP2000”.
6
Os resultados obtidos com este programa em conjunto com o cálculo manual serão a base para o cálculo estrutural interno, ou seja para o dimensionamento das armaduras de todos os elementos estruturais.
É de realçar ainda a utilização de um software de desenho automático “AUTOCAD” para representação gráfica de todos os elementos estruturais para as duas soluções estudadas.
1.3.2. ORGANIZAÇÃO DA TESE
Este trabalho apresenta uma estruturação das diversas fases por capítulos com uma sequência lógica e pertinente de execução.
A fase inicial passa por frisar todas as considerações a utilizar para o início do trabalho como: regulamentação;
materiais;
quantificação das acções; estudo da arquitectura; análise estrutural;
Após a definição das considerações gerais, surge a necessidade de quantificar quer as acções permanentes (peso próprio e revestimentos) quer as acções variáveis (sobrecarga, acção do vento, acção sísmica) a que a estrutura vai estar sujeita. Esta quantificação das acções será realizada de acordo com os pressupostos estipulados na legislação empregue.
Devido ao desconhecimento das dimensões dos vários elementos estruturais definidos no esquema estrutural, emerge a necessidade de se efectuar um pré-dimensionamento das secções dos vários elementos estruturais que serão utilizadas numa análise preliminar.
A possibilidade de se utilizar programas de cálculo estrutural (SAP2000) e programas de desenho automático (AutoCad) na realização do trabalho vem não só acelerar a obtenção de resultados como também, dar a possibilidade de experimentar soluções alternativas quase de uma forma instantânea. Após determinar as secções finais dos elementos estruturais segue-se o cálculo interno desses mesmos elementos, ou seja, segue-se o cálculo das armaduras necessárias, de acordo com a legislação em vigor de forma a garantir-se um bom desempenho da estrutura global. Será também efectuada uma representação gráfica de todas a soluções adoptadas para todos os elementos estruturais.
1.3.3. REGULAMENTAÇÃO APLICADA
O estudo e definição deste edifício hospitalar teve como base os seguintes documentos normativos: Eurocódigo 0 : Bases de concepção estrutural (EC0) (ENV 1990) [2]
Eurocódigo 1 : Bases de projecto e acções em estruturas (EC1) (ENV 1991) [3] Eurocódigo 2 : Projecto de estruturas de betão (EC2) (ENV 1992) [4]
7 Especificações técnicas para o comportamento sismo-resistentes de edifícios hospitalares
(ACSS- administração central do sistema de saúde, IP -ET05/2007) [6]
Para além dos documentos normativos acima mencionados também foi utilizado o seguinte regulamento:
Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas e Pontes (RSA) (Decreto-Lei nº 235/83, de 31 de Maio) [11]
Este regulamento só foi utilizado para a quantificação da acção do vento, que irá ser tema de discussão mais adiante.
9
2
2.
Considerações gerais
2.1. DESCRIÇÃO GERAL DO EDIFÍCIO HOSPITALAR
O projecto em estudo trata-se de um edifício hospitalar, constituído por duas caves, rés-do-chão e três pisos sobrejacentes.
A implantação deste edifício apresenta uma forma rectangular com uma área de 1668,8 m2 (37,5 m × 44,5 m).
As duas caves e o rés-do-chão apresentam as mesmas características quer em planta quer em altura. Quanto à área destes pisos, esta é igual à área de implantação atrás referida e, quanto ao pé direito destes pisos, este toma o valor de 4,5 metros.
Relativamente ao piso 1 e ao piso 2 estes são idênticos entre si mas apresentam duas diferenças em relação aos pisos subjacentes. Estas diferenças residem numa área de 1387,5 m2 (37,5 m × 37,0 m), e num pé direito de 4 metros.
Finalmente, o último piso é o que apresenta uma área menor. A área coberta deste piso toma o valor de 581,3 m2 e o pé direito 4 metros. De salientar que a área coberta deste piso irá destinar-se exclusivamente colocação de maquinarias necessárias para o bom funcionamento do hospital. A restante área descoberta neste piso será utilizada como terraço acessível.
10
2.2. MATERIAIS
A concepção de qualquer tipo de estrutura requer a utilização de materiais de construção resistentes e capazes de apresentarem um bom comportamento estrutural aquando da solicitação das várias acções possíveis durante a vida útil da estrutura.
Os ambientes com níveis de humidade consideráveis, proporcionados pelo constante e elevado número de pessoas e, pela utilização regular de líquidos sobre os elementos estruturais para sua limpeza, fazem com que os materiais mais utilizados neste tipo de edifícios sejam o betão e o aço.
Para se tirar proveito do comportamento estrutural que estes dois materiais apresentam, basta garantir um bom dimensionamento regulamentar. Este dimensionamento passa muito resumidamente pela sua adequada conjugação relativamente às quantidades de cada material a ser utilizado.
Ao contrário das estruturas metálicas, as estruturas de betão armado apresentam um peso mais elevado fazendo com que as massas “em jogo” sejam consideravelmente maiores. Este facto leva a que muitas das vezes a acção sísmica seja a mais desfavorável neste tipo de construções.
A escolha da classe do betão recaiu no C30/37 e o tipo de aço foi o A500NR. A escolha dos materiais foi condicionada pelas condições de durabilidade associada a requisitos para um tempo de vida útil de 100 anos, exigido paro os edifícios hospitalares
2.3. QUANTIFICAÇÃO DAS ACÇÕES
Um dos objectivos principais do projectista é de garantir toda a segurança necessária para um bom funcionamento futuro de toda a estrutura. Assim sendo, as estruturas devem ser concebidas para resistir às acções mais adversas a que vão estar sujeitas. Estas acções de carácter definitivo ou temporário são designadas por cargas permanentes e cargas variáveis, respectivamente.
De salientar que quanta mais rigorosa for a quantificação das acções realizada pelo projectista, mais facilmente se reúnem as condições necessárias para se garantir um bom projecto de execução.
2.3.1. ESTADOS LIMITES A CONSIDERAR NO DIMENSIONAMENTO
Os princípios de dimensionamento e as condições relativas à segurança, utilização e durabilidade das estruturas relativamente à quantificação das acções, tiveram como base regulamentar a norma europeia EN 1990 (Eurocódigo 0) [2].
A análise da segurança de uma edificação é efectuada em relação aos vários estados limites que a estrutura está susceptível de suportar, utilizando para tal coeficientes de segurança
γ
G para as acções permanentes, eγ
Q para as acções variáveis.Os estados limites que se devem utilizar para o dimensionamento das estruturas, podem ser Estados Limites Últimos (ULS- Ultimate Limit states) ou podem ser Estados Limites de Utilização (SLS- Serviceability Limit States), mediante o tipo de análise que se esteja a efectuar. Os estados limites últimos estabelecem a segurança da estrutura em relação à rotura ou à sua instabilidade. Os estados limite de utilização estabelecem requisitos de utilização a ter em conta, com o objectivo de a estrutura apresentar níveis aceitáveis de deformação, fendilhação, vibração entre outros.
A distinção entre o estado limite último e o estado limite de utilização, muito sinteticamente, é conseguida através dos prejuízos que podem resultar da sua ocorrência.
11 2.3.2. TIPOS DE ACÇÕES
Quanto ao tipo de acções, estas podem ser permanentes “G”, variáveis “Q” ou acidentais “A”, não sendo estas últimas tema de abordagem neste trabalho.
As acções permanentes “G”, representam um tipo de acção que em geral apresentam uma variabilidade limitada, devido ao seu valor não apresentar diferenças muito significativas durante o período de vida útil da construção. São exemplo destas acções o peso próprio das estruturas, impulsos de terras e outros elementos e equipamentos fixos. Neste trabalho foram utilizadas como cargas permanentes o peso próprio dos elementos estruturais e uma carga de 3 / 2
m
KN , correspondente ao
peso das paredes divisórias e aos revestimentos, aplicada nas lajes dos pavimentos.
Quanto às acções variáveis (Q), estas apresentam um carácter que pode variar com o decorrer do tempo, como o próprio nome indica. Como exemplos podem-se numerar as seguintes acções variáveis:
sobrecargas em pavimentos e coberturas; acção do vento e da neve;
acções causadas por variação de temperatura; acção dos sismos.
A sobrecarga a considerar neste trabalho será estabelecida em função do tipo de uso dos diversos espaços (laboratório, salas de cirurgia, salas de enfermagem etc), estando estas definidas nos regulamentos internos hospitalares. No desenvolvimento deste trabalho foi tomada uma acção de sobrecarga igual em todos os pisos de 5 / 2
m
KN correspondendo a um valor que se enquadra nos
valores de sobrecargas das zonas mais esforçadas do edifício.
As acções acidentais são o tipo de acção que apresentam a probabilidade de ocorrência mais reduzida e podem ter-se como exemplos: explosões incêndios, impacto de veículos etc.
Os valores utilizados, no cálculo da estrutura, das diferentes acções são os valores característicos,
G
Kpara as acções permanentes e
Q
K para as acções variáveis. Estes valores característicos são os valoresrepresentativos principais da acção em questão.
De salientar ainda a possibilidade de se afectar as acções variáveis de um coeficiente de minoração (
ψ
0,ψ
1,ψ
2) com a finalidade de se conjugar para além da acção variável base, mais acções variáveis sendo estas, afectadas do seu respectivo coeficiente de minoração.Assim podem ser definidos três tipos de valores de combinação: Valor característico
ψ
0⋅QKValor frequente
ψ
1⋅
Q
K12
2.3.3. ACÇÃO DO VENTO
A definição da acção do vento foi efectuada tendo em consideração os pressupostos estipulados no regulamento de segurança e acções para estruturas de edifícios e pontes (RSA) [11].
A opção por este regulamento resultou do facto de não termos ainda publicado o anexo nacional que estabelece a acção do vento em Portugal de acordo com o EC1 [3].
Segundo o RSA [11] a quantificação da acção do vento nas diferentes zonas do território português é conseguida graças à divisão do país em duas zonas:
Zona A- generalidade do território, excepto as regiões pertencentes à zona B
Zona B- os arquipélagos dos Açores e da Madeira e as regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5KM de largura ou altitudes superiores a 600 metros.
A rugosidade do solo interfere fortemente na definição desta acção quanto à variação da velocidade do vento com a altura. Daí, será de fácil compreensão que a maior ou menor facilidade de escoamento do ar, estará directamente condicionada não só pelas dimensões dos obstáculos como também pela sua distribuição.
A variação desta acção em altura é conseguida, neste regulamento, com a definição de dois tipos de rugosidade aerodinâmica:
Rugosidade Tipo I – rugosidade atribuída aos locais situados no interior de zonas urbanas em que predominem edifícios de médio e grande porte;
Rugosidade Tipo II – rugosidade a atribuir aos restantes locais nomeadamente zonas rurais e periferia de zonas urbanas.
As pressões verificadas nas construções representam o resultado da interacção entre o ar, (que está em movimento) com as superfícies de construção. A quantificação da acção do vento passa então pela definição das pressões a que os edifícios vão estar sujeitos. Apesar do rumo do vento poder ter qualquer direcção, considera-se que a sua actuação só se verifica na horizontal.
A quantificação das pressões do efeito da acção do vento pode ser realizada por métodos analíticos ou experimentais, não sendo estes últimos temas de estudo na presente tese. O método analítico utilizado nesta tese admite, de forma simplificada a existência de pressões estáticas (p) aplicadas às superfícies. Estas pressões são o resultado da multiplicação da pressão dinâmica do vento (w) por adequados coeficientes aerodinâmicos designados por coeficientes de forma (
δ
p):w
p=
δ
p ⋅ (2.1)A determinação dos valores característicos da pressão dinâmica do vento é conseguida através da análise de um gráfico (definido no RSA), que define esta mesma em função da altura (h) do edifício em causa e do tipo de rugosidade.
As pressões calculadas a partir da expressão 2.1 serão transformadas em forças, multiplicando estas mesmas pela altura de influência de cada piso, obtendo-se assim forças uniformemente distribuídas aplicadas nas fachadas do edifício. Apenas os pisos acima do solo é que estarão sujeitos à acção do vento.
13 2.3.3.1. Caracterização da acção do vento no edifício
De seguida serão quantificados todos os parâmetros relativos à acção do vento do presente edifício e apresentados no quadro 2.1:
Quadro 2.1- Parâmetros relativos à acção do vento
Acção do Vento
Zona A
Rugosidade Tipo I
Pressão dinâmica do vento
w
Kpara umaaltura até 15 metros 0,70
2
/ m
KN
Pressão dinâmica do vento
w
Kpara umaaltura de 16,5 metros 0,73
2
/ m
KN
De seguida irá ser apresentado o quadro 2.2 no qual virão quantificados todos os coeficientes de forma a utiliza-los no cálculo das forças provenientes da acção do vento em cada uma das fachadas A, B, C e D do edifício. De forma a facilitar a compreensão dos resultados expostos nesta tabela segue-se uma vista global (figura 2.2) do edifício onde estão definidas as várias fachadas.
14
Quadro 2.2-Coeficientes de forma
Coeficientes de forma
δ
pDirecção do
Vento Fachada A Fachada B Fachada C Fachada D
Direcção X + 0,70 - 0,20 - 0,50 - 0,50
Direcção Y - 0,50 - 0,50 + 0,70 - 0,20
Os coeficientes de forma positivos e negativos traduzem os efeitos da acção do vento sobre o edifício, sendo respectivamente forças de pressão e forças de sucção. Segundo a direcção X estarão apenas as fachadas A e B sujeitas a uma acção do vento caracterizada com um coeficiente de forma que resulta da soma dos coeficientes da fachada A e da fachada B. Quanto à direcção Y acontece o mesmo, no entanto as fachadas condicionantes serão a fachada C e a fachada D.
Após todos os parâmetros da acção do vento estarem definidos estarão definidas todas as condições para apresentar de seguida o quadro 2.3 referente à quantificação das forças da acção do vento a aplicar nos vários pisos ao nível de cada laje segundo a direcção X. Os resultados das forças obtidas devido à acção do vento segundo a direcção Y serão apresentados no quadro 2.4.
Quadro 2.3- Quantificação da acção do vento segundo a direcção X
Piso h (metros)
w
K luência hinf (metros) pδ
(+/-) Força (KN/m) (+/-) base RC 0 0,7 2,25 0,9 1,42 1 4,5 0,7 4,25 0,9 2,68 2 8,5 0,7 4 0,9 2,52 3 12,5 0,7 4 0,9 2,52 cobertura 16,5 0,73 4 0,9 2,62Quadro 2.4- Quantificação da acção do vento segundo a direcção Y
Piso h (metros)
w
K luência hinf (metros) pδ
(+/-) Força (KN/m) (+/-) base RC 0 0,7 2,25 0,9 1,42 1 4,5 0,7 4,25 0,9 2,68 2 8,5 0,7 4 0,9 2,52 3 12,5 0,7 4 0,9 2,52 cobertura 16,5 0,73 4 0,9 2,6215 2.3.4. ACÇÃO SÍSMICA
2.3.4.1. Enquadramento
A quantificação da acção sísmica resulta do registo das frequências das ondas de choque de um terramoto que se produzem no terreno. Por sua vez o terreno serve de fundação à estrutura e por consequência o terramoto irá conferi-lhe movimento vibratório.
Actualmente a legislação em vigor para a realização da análise sísmica em qualquer tipo de estrutura é ainda o RSA [11]. O Eurocódigo 8 (EC8) [5] representa o documento normativo que substituirá o RSA, daí a sua utilização para a realização do presente trabalho. No entanto, como o edifício a analisar é um edifício hospitalar será utilizada (em conjunto com o EC8), para a definição da acção sísmica as Especificações Técnicas para o Comportamento sismo-resistente de Edifícios Hospitalares [6].
Este documento normativo foi adoptado especificamente para edifícios com uso do tipo hospitalar. A utilização desta norma acarreta, na execução de um projecto, níveis de exigência superiores relativamente ao dimensionamento de edifícios correntes. Esta norma tem como regulamento de referência o EC8 [5] apresentando contudo requisitos a utilizar em Portugal, definindo ainda a acção sísmica a considerar nas verificações associadas ao estado limite de utilização.
Encontram-se, nestas especificações, definidos dois requisitos estruturais a ter-se em conta em novas instalações hospitalares:
Requisito de não colapso (no collapse requirement, do EC8) – este requisito está associado ao Estado Limite Último e, pretende prevenir a ocorrência do colapso da estrutura global e localmente, assegurando simultaneamente uma capacidade residual de resistência e estabilidade. A acção sísmica a considerar para a verificação deste requisito corresponde a um período médio de retorno da ordem dos 1300 anos, apresentando uma probabilidade de excedência de 3,8 % em 50 anos. Este aumento do período médio de retorno relativamente aos edifícios correntes (475 anos) resulta da diferenciação do risco sísmico aceitável nas instalações hospitalares. Essa diferenciação do risco resulta da afectação da acção sísmica por um coeficiente de importância
γ
I de valor igual a 1,4.Requisito da Limitação de danos (damage limitation requirement, do EC8) – este requisito está associado ao Estado Limite de Utilização e visa não só a garantia da operacionalidade plena da estrutura como também a contenção dos danos dos elementos não estruturais nos edifícios hospitalares. Contudo este requisito impõe a utilização de uma acção sísmica com um período médio de retorno inferior ao período médio de retorno de um sismo correspondente ao Estado Limite Último. A acção sísmica a utilizar, para a verificação deste requisito, corresponde a um período médio de retorno na ordem dos 240 anos, apresentando uma probabilidade de excedência de 4,1% em 10 anos. Importante será ainda mencionar que a alteração do período médio de retorno tem em consideração que a vida útil dos edifícios hospitalares é de 100 anos em vez dos 50 anos de vida útil que se estabelece para os edifícios correntes.
2.3.4.2. Concepção sismo-resistente de estruturas de edifícios hospitalares
As Especificações técnicas utilizadas definem um conjunto de princípios básicos importantes a ter-se em conta na concepção sismo-resistentes de estruturas de edifícios hospitalares tais como:
Simplicidade estrutural - deve-se garantir a existência de um sistema claro e directo de transmissão de forças devidas à acção sísmica com a concepção de estruturas com formas simples e regulares em
16
planta e em alçado. Sempre que seja necessário deve-se dividir as estruturas, por meio de juntas de dilatação, para garantir a simplicidade estrutural.
Uniformidade e simetria - este princípio está directamente relacionado com a simplicidade das estruturas, devendo ser assegurada pela configuração e distribuição dos elementos estruturais e pela distribuição das massas da estrutura. Importante será ainda referir que as estruturas devem ser, tanto quanto possível, simétricas no plano segundo as duas direcções.
Resistência e rigidez às forças horizontais - estes parâmetros devem ser assegurados a partir das características geométricas e mecânicas dos elementos estruturais com o intuito de conferir à estrutura a capacidade de responder de uma forma segura e adequada às forças horizontais actuantes em qualquer direcção, provenientes de uma acção sísmica.
Resistência e rigidez á torção - estas funcionalidades devem ser asseguradas, a par da resistência e rigidez laterais, mediante a disposição dos principais elementos estruturais resistentes junto da periferia, desde que compatível com a solução arquitectónica. Esta disposição dos elementos estruturais visa sobretudo dotar a estrutura de capacidades para limitar movimentos de torção.
Diafragmas indeformáveis no plano horizontal - deve-se garantir que os elementos laminares horizontais da estrutura exerçam, de uma forma adequada, as funções de ligação e transmissão das forças horizontais aos elementos verticais da estrutura. Estes elementos estruturais devem possuir resistência e rigidez suficiente para fazer face à actuação daquele tipo de forças.
Como nota final deste tema, irão ser de seguida apresentados quatro princípios de comportamento sismo-resistentes a ter em conta na concepção de estruturas de betão-armado:
Os elementos estruturais caracterizados como elementos principais (núcleos, paredes e pilares) não devem apresentar descontinuidades no seu desenvolvimento vertical.
Na situação da utilização de um sistema estrutural composto por lajes fungiformes constituídas por nervuras dispostas nas duas direcções, devem-se criar bandas de maciçamento nos alinhamentos dos pilares.
Deverão sempre ser dimensionadas vigas de bordadura qualquer que seja o tipo de solução estrutural utilizada relativamente aos elementos laminares horizontais.
De forma a evitar o colapso progressivo de lajes proveniente de uma rotura por punçoamento, devem ser dimensionadas armaduras verticais específicas de punçoamento capazes de suportar a totalidade do pano de laje suspenso após uma rotura por punçoamento.
2.3.4.3. Modelos de análise estrutural
Relativamente aos modelos numéricos que devem ser utilizados para a verificação quer dos Estados Limites de Utilização, quer dos Estados Limites Últimos, devem ser ambos modelos numéricos lineares. A diferença entre o Estado Limite de Utilização e o Estado Limite Último, reside na consideração ou não, da contribuição de um acréscimo de rigidez, proporcionado pelos elementos não estruturais (paredes de alvenaria) que se encontram dispostas por todo o edifício. A modelação dos painéis de alvenaria contidos nos pórticos é conseguida através da utilização de escoras obliquas com uma largura igual a 15% do comprimento da diagonal. No entanto, este assunto não será aqui desenvolvido visto se tratar de um tema que sairia fora do âmbito desta tese de mestrado.
17 Será desenvolvida, em Estados limites Utilização e em Estados Limites Últimos, para a acção sísmica, uma análise dos deslocamentos entre pisos (drift´s) considerando os elementos estruturais de betão armado no seu estado fendilhado. Para esse efeito, estas Especificações Técnicas permitem, na ausência de um estudo rigoroso da rigidez dos elementos fendilhados, uma redução da rigidez elástica não fendilhada de 50% tendo-se assim em conta essa diminuição de rigidez.
É de salientar que, em ambos os Estados Limites, os modelos numéricos dos edifícios deverão ser tridimensionais.
2.3.4.4. Quantificação da acção sísmica
Em Portugal continental devem ser consideradas duas acções sísmicas distintas:
Sismo Tipo I – esta acção representa um sismo de pequena distância focal, representativo da sismicidade intraplacas.
Sismo Tipo II – esta acção representa um sismo de grande distância focal e maior magnitude, representativo da sismicidade interplacas.
A acção sísmica será definida com base nos espectros de resposta elásticos de dimensionamento, referentes à componente horizontal do movimento utilizando um coeficiente de amortecimento de 5%. Os parâmetros que influenciam o tipo de espectro de resposta a utilizar em cada caso de estudo são:
tipo de acção sísmica tipo de terreno de fundação zona sísmica
valor máximo nominal da aceleração no terreno coeficiente de comportamento da estrutura
Os quatro primeiros parâmetros encontram-se todos definidos nestas Especificações Técnicas, de acordo com a zona do país onde irá ser realizada a construção.
Como já foi referido anteriormente, deverá ser utilizada uma acção sísmica de tipo I e uma acção sísmica de tipo II.
O tipo de terreno de fundação depende das condições locais do terreno sobre o qual se irá construir. Nestas Especificações Técnicas encontram-se definidos cinco tipos de terreno de fundação:
terreno de fundação do tipo A terreno de fundação do tipo B terreno de fundação do tipo C terreno de fundação do tipo D terreno de fundação do tipo E
18
Quanto ao zonamento sísmico a utilizar, para a definição desta acção, este encontra-se definido por zonas:
Figura 2.3 – Zonamento sísmico para acções sísmicas Tipo I e Tipo II (Especificações Técnicas para o Comportamento Sismo-Resistente de edifícios Hospitalares)
Relativamente aos valores a serem tomados para a aceleração máxima nominal do terreno de fundação (ag), estes encontram-se também definidos na legislação utilizada para a quantificação da acção
sísmica.
O único parâmetro que não se encontra definido nestas Especificações Técnicas é o coeficiente de comportamento (q) da estrutura, que, desempenha um papel fundamental na definição da acção sísmica. Este factor define a capacidade que a estrutura tem de dissipar parte dos esforços que nela se geram. Visto estas Especificações Técnicas tomarem como regulamento de referência a norma europeia EN 1998-1:2004 (EC8) [5], a definição deste coeficiente será realizada de acordo com o estipulado no ponto 5.2.2.2 da mesma.
19 2.3.4.5. Definição do espectro de resposta de dimensionamento
A caracterização dos espectros de resposta da componente horizontal do movimento, para os dois tipos de acção sísmica, foi efectuada com o uso de quatro expressões definidas na legislação empregue e que serão de seguida apresentadas:
−
⋅
+
⋅
⋅
=
≤
≤
3
2
5
,
2
3
2
)
(
:
0
q
T
T
S
a
T
S
T
T
B g d B 2.2 q S a T S T T TB ≤ ≤ C : d( )= g ⋅ ⋅2,5 2.3 ⋅ ⋅ ⋅ = ≤ ≤ T T q S a T S T T T C g d D C 5 , 2 ) ( : 2.4 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ≤ : ( ) 2,5 2 T T T q S a T S T T C D g d D 2.5 em que: − ) (TSd espectro de resposta de dimensionamento
[
]
2
/ s
m
−
T período de vibração de um sistema de um grau de liberdade (s)
− g
a valor da aceleração máxima nominal do terreno de fundação
[
m/ s2]
−
BT
limite inferior do período no ramo de aceleração espectral constante (s)− C
T limite superior do período no ramo de aceleração espectral constante (s)
−
DT
limite inferior do ramo de deslocamento espectral constante (s)−
S factor do tipo de terreno
−
q coeficiente de comportamento
2.3.4.6. Caracterização da acção sísmica no edifício e algumas considerações para a análise da deriva entre pisos
Este edifício hospitalar irá ser, como já foi mencionado anteriormente, projectado para a cidade de Coimbra. Segundo a legislação empregue esta cidade situa-se na zona 2 para a acção sísmica do tipo I e na zona 5 para a acção sísmica do tipo II.
Após estarem referidos todos os elementos necessários para a quantificação da acção sísmica, irá ser apresentado o quadro 2.5 que contém todos os parâmetros quantificados para as zonas em estudo.
20
Como já foi referido anteriormente a acção sísmica definida de acordo com os pressupostos das
Especificações técnicas para o comportamento sismo-resistentes de edifícios hospitalares [6] já vem
afectada por um coeficiente de importância γ de valor igual a 1,4.
Quadro 2.5– Parâmetros para a quantificação da acção sísmica
Parâmetros Tipo I Tipo II
) (ELU ag 1,54
(
m/s2)
0,70(
m/s2)
) (ELS ag 0,87(
m/s2)
0,39(
m/s2)
S 1,35 1,3 BT
0,1 (s) 0,1 (s) C T 0,25 (s) 0,6 (s) DT
2,0 (s) 2,0 (s)η
1,0 1,0 q 3,0 3,0Com a caracterização destes parâmetros foi possível definir os quatro espectros de resposta a ter-se em consideração no dimensionamento deste edifício, apresentadas nas figuras 2.4 a 2.7:
Deve ser feita uma análise separada para as varias componentes da acção sísmica ou seja, a resposta da estrutura deve ser avaliada considerando a actuação de um sismo segundo a direcção X e, considerando a actuação de um sismo segundo Y. No entanto, o EC8 define uma regra quanto á combinação dos efeitos da acção sísmica que reside na consideração de 30% de acção sísmica na direcção perpendicular à direcção que se está a analisar
Estados Limite de Utilização
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 periodo (s) ac el er aç ão e sp ec tr al ( m /s 2)
Acção Sísmica Tipo I (sismo próximo)
21 Estados Limte Último
0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 período (s) ac el er aç ão e sp ec tr al ( m /s 2)
Acção Sísmica Tipo I (sismo próximo)
Figura 2.5 – Espectro de resposta para a acção sísmica Tipo I em ELU
Estado Limite de Utilização
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 período (s) ac el er aç ão e sp ec tr al ( m /s 2)
Acção Sísmica Tipo II (sismo afastado)
Figura 2.6 – Espectro de resposta para a acção sísmica Tipo II em ELS
Estado Limite Último
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 período (s) ac el er aç ão e sp ec tr al ( m /s 2)
Acção Sísmica Tipo II (sismo afastado)
22
Quanto aos limites máximos de deslocamentos entre pisos estas Especificações Técnicas impõem derivas máximas (entre pisos) de 0,50 % em Estados Limites de Utilização e, de 1,50 % em Estados Limites Últimos. O cumprimento destes limites máximos fará, segundo este documento normativo, com que a segurança dos elementos construtivos não estruturais se encontre satisfeita.
A análise dos deslocamentos entre pisos será efectuada de acordo com as derivas entre pisos obtidas pelo software de cálculo estrutural utilizado (SAP2000). Será efectuado um estudo somente para um pórtico em cada direcção utilizando, após uma análise da estrutura, o pórtico mais condicionante. Para esse efeito, serão utilizados de uma forma directa os deslocamentos da cada piso resultantes da combinação da acção sísmica, para os dois tipos de acção sísmica (Tipo I e Tipo II). No entanto, dadas as características do SAP2000, os valores obtidos directamente da combinação da acção sísmica não representam valores que caracterizam uma deformada real da estrutura, visto estes valores serem máximos. Assim sendo, irá também ser efectuado um estudo dos deslocamentos entre pisos considerando a deformada da estrutura do modo principal em cada direcção visto, a deformada real da estrutura se aproximar da deformada do respectivo modo principal. Para este efeito serão determinados os deslocamentos resultantes dos modos principais de translação em função do deslocamento máximo do modo em questão, obtendo-se assim a deformada normalizada da estrutura (em %). Assim, é possível determinar os deslocamentos dos pisos, subjacentes ao último piso, em função do deslocamento máximo verificado no topo do edifício para a combinação da acção sísmica.
Este segundo método tem como objectivo verificar se os deslocamentos obtidos directamente da acção sísmica representam de uma forma aceitável a deformada da estrutura.
Importa ainda salientar que para se obter as derivas entre pisos em % basta dividir o deslocamento relativo pela altura entre pisos.
Este estudo irá ser abordado no capítulo 5 onde é efectuada uma comparação das duas soluções estruturais neste trabalho.
23
3
3.
Projecto do edifício
hospitalar Solução A
3.1. SISTEMA ESTRUTURAL DE LAJES MACIÇAS COM VIGAS
O presente capítulo irá focar-se na descrição completa de todos os critérios utilizados na definição dos elementos estruturais de betão armado no sistema estrutural constituído por lajes maciças com vigas, definido como solução A.
Primeiramente irão ser apresentadas, nas figuras 3.1, 3.2 e 3.3 as plantas de arquitectura utilizadas no dimensionamento da estrutura deste edifício hospitalar relativamente à solução A. A quantificação dos vãos utilizados em cada piso é descrita nos quadros 3.1 a 3.3. Importa ainda mencionar que estas plantas são fruto de uma modificação em termos visuais de uma planta real de um edifício hospitalar construído na zona do Porto. O posicionamento de todos os elementos estruturais, em planta utilizado está de acordo com a planta base real deste edifício hospitalar, não tendo sido feita nenhuma alteração na localização dos elementos resistentes verticais (pilares e paredes).
De seguida torna-se imprescindível a definição das várias secções iniciais de betão a utilizar nos vários elementos estruturais, através de cálculos expeditos. Este pré-dimensionamento será definido de acordo com os critérios de economia adequados para os vários tipos de elementos estruturais, salvaguardando todas as condicionantes de dimensionamento do projecto definidas na legislação empregue. Somente as dimensões das paredes resistentes de betão armado utilizadas foram as mesmas que vinham definidas no projecto real. Toda a estrutura será modelada segundo modelos tridimensionais definidos no programa de cálculo estrutural “SAP2000”.
Esta modelação visa analisar e caracterizar, de uma forma correcta, o comportamento da estrutura face às várias acções que esta pode vir a estar sujeita. Todos os resultados obtidos por esta modelação, em conjunto com a realização de algumas verificações expeditas, servirão de base para o dimensionamento final de todos os elementos estruturais. Estas verificações têm como objectivo controlar os resultados obtidos pelo software utilizado.
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3.2. PLANTAS ESTRUTURAIS
Figura 3.1– Planta das duas caves e rés-do-chão
Quadro 3.1– Características das duas caves e rés-do-chão
Características das duas caves e rés-do-chão
Comprimento segundo X 44,5 m
Comprimento segundo Y 37,5 m
Área 1668,75 m2
Pé-direito 4,5 m
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Figura 3.2– Planta do piso 1 e piso 2
Quadro 3.2– Características do piso 1 e piso 2
Características do piso 1 e piso 2
Comprimento segundo X 37,0 m
Comprimento segundo Y 37,5 m
Área 1387,5 m2
Pé-direito 4,0 m
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Figura 3.3– Planta da cobertura
Quadro 3.3– Características do piso 3
Características do piso 3 Comprimento segundo X 15,5 m Comprimento segundo Y 37,5 m Área 581,25 m2 Pé-direito 4,0 m Vão máximo 8 m
27 3.3. PRÉ-DIMENSIONAMENTO EXPEDITO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE ESTUDO
3.3.1. LAJES MACIÇAS
Um aspecto fundamental, no pré-dimensionamento destes elementos estruturais, é a definição de uma altura de secção. Esta deverá ser capaz de apresentar um comportamento adequado e eficaz relativamente ao cumprimento dos limites máximos definidos no EC2 [4] para as flechas.
Segundo a secção 7.4.2 do EC2 [4], não é necessário o cálculo explícito das flechas desde que se limite a relação vão/altura com o intuito de evitar um mau comportamento do elemento estrutural gerado por deformações excessivas. Esses limites encontram-se definidos no Quadro 7.4N no referido documento normativo.
Após a caracterização de todos os parâmetros necessários foi determinada, com a utilização da expressão 7.16.a do EC2, a altura útil das lajes maciças a ser utilizada no presente edifício.
Para o vão máximo de 8 metros é necessária uma altura útil de 0,25 metros para fazer face às deformações nas zonas em que estas tomam valores máximos. A altura total das lajes maciças será de 0,30 metros dado o recobrimento utilizado ser de 0,05 metros. No entanto, existem zonas deste edifício onde as lajes não necessitariam de uma altura de secção tão elevada, dado o vão ser reduzido. Contudo, foi utilizada em todos os painéis de laje e em todos os pisos uma altura constante de 0,30 metros. O objectivo fundamental deste critério residiu em criar as condições necessárias para se obter um sistema eficaz de transmissão de esforços aos elementos verticais, garantindo assim, que estes elementos estruturais se comportem como um diafragma indeformável segundo o seu plano. No entanto a utilização de uma altura constante de lajes em todos os pisos vai facilitar todo o processo construtivo na medida em que, as armaduras necessárias a utilizar em cada piso são idênticas visto os vãos serem iguais.
Esta uniformização de altura poderá acarretar um sobre-dimensionamento, em termos de secção de betão destes elementos nas zonas de menor vão aumentando assim, o peso global do edifício. Quanto maior for a massa do edifício, maior será a acção sísmica no mesmo, ou seja, maior serão as forças sísmicas geradas nos elementos principais resistentes constituídos pelas paredes de betão armado.
3.3.2. PILARES
Relativamente à secção dos pilares, esta poderia ser economizada uma vez que podem ser efectuadas reduções apropriadas ao longo do seu desenvolvimento vertical em consequência da redução dos esforços.
Quanto às secções dos pilares foram definidas dois tipos de secções, uma secção geral para os pilares localizados no interior da estrutura e outra para os pilares extremos. Estas secções foram determinadas em função das áreas de influência de cada pilar. O desenvolvimento vertical dos dois tipos de pilares não apresentará descontinuidades, ou seja, será utilizada uma secção constante em toda a altura reduzindo assim os pontos frágeis da super-estrutura.
De seguida irá ser apresentado no quadro 3.4 as dimensões adoptadas para os pilares nas duas soluções estruturais A e B.
