COMPORTAMENTO DAS CONSTRUÇÕES EM TERRA QUANDO SUJEITAS A UM SISMO

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COMPORTAMENTO DAS CONSTRUÇÕES EM TERRA QUANDO SUJEITAS A UM SISMO

Maria Idália Gomes1*, Jorge de Brito2 e Mário Lopes2

1Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Rua Conselheiro Emídio Navarro, 1, 1950-062 Lisboa, PORTUGAL

Tel.: +351 218 317 002; Fax: +351 218 317 021; E-mail: idaliagomes@dec.isel.ipl.pt

2Instituto Superior Técnico

Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa, PORTUGAL Tel.: +351 218 419 709; E-mail: jb@civil.ist.utl.pt Tema 2: Materiais e Comportamento

Palavras-Chave: Construção em Terra, Sismo, Comportamento

Resumo

As tecnologias tradicionais de construção com terra são variadas, com inúmeras adaptações à quali- dade da terra, à identidade das culturas e aos lugares, de acordo com as diferentes experiências e com as formas de pensar da sociedade e da época onde se integram.

Nas construções de pequeno porte, as paredes em conjunto com os pavimentos e a cobertura de- sempenham, simultaneamente, funções resistentes e estruturais (para cargas verticais e horizontais).

Nas construções em terra, é o comportamento das paredes que tem um carácter decisivo no compor- tamento global. Estas construções funcionam por gravidade, pelo que as suas paredes apresentam uma razoável, ou até mesmo boa, resistência a esforços de compressão vertical por serem muito espessas. Pelo contrário, a capacidade das paredes para suportar cargas horizontais, nomeadamen- te as de origem sísmica, é muito variável, podendo ir desde a total inaptidão até a uma resistência satisfatória em construções de pequeno porte, conseguida através de soluções estruturais sismo- resistentes.

Os danos provocados pelos sismos nas edificações dependem: da intensidade do sismo; da resistên- cia da edificação; da qualidade da construção e de determinadas características da edificação, tais como a distribuição da massa, a altura, o peso das paredes e da cobertura. Pode-se minimizar a in- fluência da acção sísmica nestas construções, através de uma correcta concepção da estrutura na fase de projecto quer da qualidade da construção.

Não existe até à data nenhuma regulamentação para as construções em terra crua, já que apenas as estruturas de betão armado e as metálicas estão contempladas nos regulamentos estruturais Portu- gueses. Existe assim a necessidade de criar normas para as construções em terra crua, tendo em conta as características específicas deste material.

Neste artigo, será feito um levantamento do comportamento das edificações de terra quando sujeitas a um sismo.

1. Enquadramento

A elaboração deste artigo teve por base um levantamento do comportamento das edifica- ções de terra quando sujeitas a um sismo, com o objectivo de melhor compreender esse comportamento de forma a minimizar os efeitos deste tipo de acção nas construções de ter- ra crua.

As tecnologias tradicionais de construção com terra são variadas, com inúmeras adaptações à identidade das culturas e aos lugares de acordo com as diferentes experiências e com as formas de pensar da sociedade e da época onde se integram.

Apesar de a construção com terra crua ser uma técnica construtiva simples e de baixo cus- to, tem como principais vantagens as excelentes propriedades térmicas e acústicas que ofe- rece. No entanto, estas estruturas são vulneráveis aos fenómenos naturais tais como sis- mos, inundações e chuvas.

Os sismos podem ter como consequência a destruição total de aldeias ou mesmo cidades, especialmente onde não tenham sido tomadas medidas preventivas relacionadas com a resistência sísmica das edificações. A cidade de Bam no Irão, construída maioritariamente com terra, foi praticamente destruída com o sismo de 26 de Dezembro de 2003 (Earthquake

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Engineering Research Institute 2006). Na figura 1, pode visualizar-se uma construção em adobe danificada neste sismo. Também os distritos de Nahrin e Burka, na província de Baghlan, a Norte do Afeganistão, foram devastados no sismo de magnitude 6.2 na escala de Ricther(1) que ocorreu a 25 de Março de 2002 (Revolutionary Association of the Women of Afghanistan 2006). Nestas localidades, também as construções eram maioritariamente em terra. A figura 2 mostra diversas casas destruídas neste sismo.

Existe, assim, a necessidade de melhorar o comportamento das construções em terra relati- vamente ao que resulta da prática corrente.

2. Comportamento sísmico

Os sismos são provocados principalmente movimento das placas tectónicas ou por activida- de vulcânica. A forma como um sismo influencia a estrutura não só depende da sua magni- tude (2) e do tipo de construção, mas também da profundidade e distância do epicentro, do tipo de solo, da geologia e topografia do terreno, que se reflectem na duração, frequência e aceleração máxima do solo sob as construções (Bolt 1999). O conhecimento da origem e da natureza dos movimentos sísmicos é uma ferramenta indispensável para prevenir os seus efeitos danosos e sobretudo para minimizar o colapso de estruturas, que devem ser sismo- resistentes.

A crosta terrestre está num estado permanente de deformação. Existem forças, sob a crosta terrestre, que fazem com que as placas tectónicas se movam a velocidades pequenas, da ordem dos centímetros por ano ou menos. Estas forças são causadas por fluxos lentos de lava derretida produzidos por convecção térmica e pelos efeitos dinâmicos da rotação da terra (Bolt 1993). O movimento relativo entre as placas tectónicas é responsável, por exem- plo, pela criação de cadeias montanhosas em resultado do choque frontal de duas placas em que uma mergulha sob a outra. Esta actividade das placas vai deformando gradualmen- te as rochas, criando tensões e acumulando energia. Quando o limite de resistência do ma- terial rochoso é ultrapassado, dá-se uma rotura e a energia acumulada liberta-se, dando origem a vibrações ou ondas sísmicas, que se propagam em todas as direcções no interior e junto à superfície da Terra. São estas vibrações que se sentem quando ocorre um sismo.

A construção tradicional com terra tem uma resposta muito negativa quando sujeita a movi- mentos sísmicos. A fraca capacidade destas construções para resistirem a abalos sísmicos deve-se à sua baixa capacidade de resistência à tracção e ao seu comportamento frágil.

Como não se podem controlar as características do sismo, deve melhorar-se a resistência da construção quando esta está sujeita a forças horizontais. Os métodos construtivos devem evitar a queda das paredes e consequentemente o colapso da cobertura, conferindo estabi- lidade à estrutura, aumentando a resistência a cargas horizontais e assim resistir a um sis- mo sem danos graves.

3. Efeitos dos sismos nas construções

As vibrações do solo (horizontais e verticais) provocadas pela passagem das ondas sísmi- cas arrastam as construções no seu movimento. Estas sofrem oscilações horizontais, verti- cais e de torção. As acelerações da sua base originam forças de inércia de sentido oposto ao do movimento do solo. Estas forças são a manifestação da tendência das construções a permanecerem imóveis, ou seja, resistirem ao movimento. As forças de inércia actuam di- rectamente na superstrutura e são tanto maiores quanto mais pesadas forem as constru- ções. Os edifícios leves são pois menos solicitados pelos sismos do que os mais pesados e maciços.

Dado que a rigidez lateral (horizontal) das edificações é menor do que a rigidez vertical, as suas oscilações horizontais são em geral as mais perigosas. A flexão e o corte podem em conjunto criar esforços importantes, especialmente na base das construções onde atingem o seu máximo.

Os efeitos das oscilações verticais sobre as construções não são em geral desprezáveis nas zonas vizinhas de epicentro do sismo. Essas oscilações são extremamente ricas nas altas frequências, próximas das frequências de oscilações das construções, o que conduz a uma amplificação notável dos esforços que estas últimas desencadeiam. Com efeito, os edifícios

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têm em geral uma rigidez vertical elevada e, como tal, vibram nesta direcção com frequên- cias mais elevadas.

No entanto, o efeito mais negativo das oscilações verticais dá-se essencialmente em conjun- to com os efeitos das vibrações horizontais. A redução das tensões verticais devido a acele- rações ascendentes diminui o atrito entre partículas e, dessa forma, a resistência a forças de inércia horizontais. Os efeitos das vibrações verticais podem também originar esforços de flexão significativos em elementos de grandes vãos ou consolas, com massas em zonas flexíveis para deslocamentos verticais, ou estruturas com elementos inclinados.

Os deslocamentos horizontais de solo provocam igualmente nas construções oscilações de torção associadas às oscilações laterais. Os efeitos das oscilações de torção são relevantes no caso dos edifícios de forma irregular, ou possuindo um contraventamento excêntrico, ou seja, nos casos em que o centro de massas dos pisos dos edifícios não coincide com o seu centro de rigidez (que é o centro de rotação às cargas laterais). Com efeito, uma vez que os elementos verticais rígidos, que asseguram o contraventamento, não são simétricos relati- vamente ao centro de gravidade da construção, a estrutura fica submetida a um momento torsor que provoca rotações no plano horizontal. O centro de rigidez actua então como cen- tro de torção e a sua distância ao centro de gravidade representa aproximadamente o braço do binário. Quando o braço do binário for grande, os danos na construção podem ser consi- deráveis indo até ao seu desabamento.

Note-se que, mesmo em edifícios simples e simétricos, aparecem oscilações de torção. Elas são devidas, por um lado, aos deslocamentos diferenciais do solo e, por outro, a desloca- mentos acidentais do centro de massas, coincidente com o centro de rigidez, consequência da variação das cargas temporárias (pessoas máquinas, materiais, entre outros), por defei- tos inevitáveis na construção, por modificações posteriores nas divisórias ou do equipamen- to pesado.

O comportamento das construções durante um sismo depende, por um lado, dos movimen- tos do solo e, por outro, das suas características próprias A acção sísmica é normalmente definida a partir de acelerogramas ou espectros de resposta.

Os abalos dos solos provocam oscilações forçadas das construções que neles estão funda- das. A sua frequência pode atingir vários ciclos por segundo. Quando o sismo termina, os movimentos cíclicos das construções continuam sob a forma de oscilações livres até ao seu amortecimento completo.

Durante as suas oscilações, as construções tendem a resistir ao deslocamento da sua base, o que dá origem a forças de inércia que agem em sentido oposto ao movimento.

Quanto mais pesada for a construção, maiores as forças de inércia que sofre. Estas defor- mam a estrutura e constituem portanto cargas às quais a construção deve resistir.

Par que não haja rotura dos elementos resistentes, a capacidade resistente da estrutura deve ser suficiente para que esta resista aos esforços induzidos pelo sismo, que também são função da ductilidade e capacidade de dissipação de energia da estrutura.

Assim, para se melhorar a resistência das construções aos sismos, pode-se, por um lado, aumentar a sua resistência e a sua capacidade de dissipação de energia e, por outro, mini- mizar as forças de inércia.

4. Efeitos dos sismos nas construções de terra crua

Nas construções de pequeno porte, regra geral para as construções em terra crua, as pare- des em conjunto com os pavimentos e a cobertura desempenham, simultaneamente, fun- ções resistentes e estruturais (para cargas verticais e horizontais), mas nas construções em terra é o comportamento das paredes que tem um carácter decisivo no comportamento glo- bal.

A capacidade das paredes para suportarem esforços, nomeadamente os de origem sísmica, é muito variável, podendo ir desde a total inaptidão até a uma resistência satisfatória, con- seguida através de soluções estruturais sismo-resistentes. O movimento do solo durante um sismo dá origem a forças transversais e longitudinais às paredes cujos efeitos são distintos.

As forças transversais são muito mais desfavoráveis do que as forças longitudinais. Os da- nos causados pelas forças perpendiculares ao plano de parede são geralmente superiores

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aos danos causados pelas forças longitudinais. Na figura 3, pode-se observar o colapso da parede de terra ao longo de grande parte da sua extensão, arrastando consigo as paredes transversais e a cobertura.

As paredes de terra apresentam uma razoável, ou até mesmo uma boa resistência a esfor- ços de compressão vertical, visto serem muito espessas.

Não obstante, a existência de acelerações verticais que induzem a movimentos ascenden- tes conduz à desagregação das paredes. Também as vibrações sísmicas perpendiculares ao plano de parede têm um razoável papel na sua eventual desagregação, assim como as vibrações horizontais noutras direcções (sobretudo na presença de acelerações verticais importantes).

As paredes de terra sujeitas a forças transversais apresentam pouca resistência, sendo fa- cilmente derrubadas mesmo para forças pequenas. As acções provocadas pelas forças lon- gitudinais, mesmo que sejam grandes, são melhor suportadas pelas paredes, porque a ca- pacidade para as transferir para fundação é superior. Caso as ondas sísmicas atravessem a edificação na sua direcção diagonal, as paredes da edificação poderão abrir pelas esquinas, tal como se observa na figura 4.

Porque a acção de um sismo se faz sentir em todas as direcções, deve-se assegurar a exis- tência de paredes ortogonais entre si (Blondet 2003), ligados por cunhais. Assim, as pare- des funcionam em conjunto e suportam a acção das forças sísmicas em qualquer direcção.

Na figura 5, observa-se uma fenda devido à má ligação entre duas paredes ortogonais de uma edificação em terra crua.

O comportamento de uma parede de terra com ou sem aberturas é muito distinto. O facto de uma parede ter aberturas conduz mais rapidamente à sua fendilhação, por diminuição da sua resistência. O conjunto de fendas criadas poderá conduzir à desagregação da parede entre as aberturas se não forem tomadas medidas preventivas durante a construção. Esta desagregação terá especial incidência nas zonas junto aos cantos onde se verificam gran- des concentrações de esforços (European Macro Seismic Scale 1998), como se pode ob- servar na figura 6, em que muitas das fissuras partem das aberturas de janelas. É então fácil reconhecer a influência bastante prejudicial que as aberturas têm no comportamento das paredes e a necessidade de dar especial atenção a estas zonas e às zonas que lhes são vizinhas.

A má disposição das paredes e a existência de aberturas conduz geralmente a situações, de fraco comportamento sísmico. Como referido, as aberturas levam a uma diminuição da rigi- dez e da resistência da parede no seu plano, pelo que pode ser útil reforçar o seu contorno.

Por outro lado, as forças originadas pela vibração da edificação actuam sobre os seus vários elementos, pelo que o comportamento da edificação será tanto melhor quanto mais uniforme for a distribuição desses elementos. Assim, devem ser evitadas irregularidades e assimetri- as, quer em planta quer no desenvolvimento em altura de uma construção de terra. Uma distribuição uniforme dos elementos da edificação leva a uma distribuição uniforme da sua massa e da sua rigidez e, por consequência, a uma uniforme distribuição de forças actuan- tes durante um sismo, evitando concentrações de esforços em alguns elementos ou zonas da estrutura.

Efectivamente pode-se constatar que os danos causados pelo sismo dependem de determi- nadas características da edificação, tais como a distribuição da massa, a altura e o peso das paredes e cobertura. Quanto mais alto for o edifício, maiores serão as forças de inércia, pois estas aumentam proporcionalmente à altura do edifício e à sua massa. É também importan- te ter em atenção o tipo de solo onde a edificação está implantada, sendo necessário fazer um estudo geotécnico. Na figura 7, pode-se observar, do lado esquerdo da edificação, o assentamento da fundação.

5. Conclusão

Apesar de este tipo de construção integrar algumas soluções empíricas, resistentes às ac- ções sísmicas, estas ainda não são suficientes para tornar este método construtivo viável, respeitando sobretudo o objectivo de proteger a vida humana na catástrofe.

Actualmente, é possível reforçar este tipo de estruturas, através de diferentes metodologias,

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de maneira a minimizar os efeitos sísmicos. Um sismo, mesmo de fraca intensidade, pode provocar grandes danos estruturais numa construção pouco cuidada.

No entanto, face à natureza da acção sísmica, dever-se-ão observar cuidados especiais de concepção, de forma a optimizar o comportamento da estrutura quando actuada por aquela solicitação. Deve proporcionar-se resistências nos locais que vão ser mais solicitados, evitar a concentração de tensões em pontos mais fracos e permitir a redistribuição de esforços por um maior número de elementos.

No entanto, conceber uma estrutura anti-sísmica é conjugar uma série de parâmetros de forma a optimizar a construção do ponto de vista económico, ou seja, procurando minimizar o custo total a ela associado, que compreende tanto o custo da construção como os danos materiais e humanos.

Deve-se ter em conta alguns critérios anti-sísmicos que, sendo de âmbito muito alargado, intervêm em todas as fases da construção e mesmo após a sua finalização: escolha do ter- reno de implantação; concepção arquitectónica; escolha do sistema estrutural; escolha dos materiais; concepção das ligações; concepção dos elementos não estruturais; cálculo estru- tural; execução da obra e conservação.

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Notas

(1) A escala de Richter foi desenvolvida em 1935 pelo físico e sismólogo americano Charles Francis Richter e pelo seu colega sismólogo alemão Beno Gutenberg. O valor máximo, atingido até aqui na escala de Richter, é da ordem dos 8,5. Não se conhece o limite superior, mas a capacidade de acu- mulação de energia na crosta terrestre não é ilimitada.

(2) A magnitude é um parâmetro muito importante na análise da grandeza de um sismo e foi introdu- zido para fornecer uma medida da quantidade de energia libertada. Por isso, a magnitude é a mesma qualquer que seja o ponto da terra em que se mede. A sua quantificação resulta das medições exac- tas da amplitude das ondas sísmicas nos sismogramas, para as distâncias conhecidas entre a esta- ção sísmica e o epicentro.

Autores

Mª Idália Gomes: Eng.ª. Civil, pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa onde exerce a sua actividade de docência e investigação, nomeadamente na área da construção em terra, onde tem alguns trabalhos publicados. Mestranda em Construção no Instituto Superior Técnico.

Jorge de Brito: Eng.º Civil, Mestre em Eng.ª de Estruturas, Doutorado e Agregado em Eng.ª Civil, sempre pelo Instituto Superior Técnico, onde exerce a sua actividade de docência e investigação, nomeadamente na área da construção em terra, onde tem diversos trabalhos publicados.

Mário Lopes: Eng.º Civil, Mestre em Eng.ª de Estruturas, Doutorado em Eng.ª Civil, sempre pelo Insti- tuto Superior Técnico, onde exerce a sua actividade de docência e investigação, nomeadamente na área da engenharia sísmica, onde tem diversos trabalhos publicados.

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COMPORTAMENTO DAS CONSTRUÇÕES EM TERRA QUANDO SUJEITAS A UM SISMO

Maria Idália Gomes *, Jorge de Brito e Mário Lopes

Figuras

Figura 1 - Edificação em adobe, na qual se observa o colapso das paredes, após o sismo de 26 de Dezembro de 2003, em Bam, Irão [Earthquake Engineering Research

Institute - Engineering, Earth Science, Public Policy. Site:

http://www.eeri.org/lfe/iran_bam.html]

Figura 2 - Em 25 Março de 2002, um sismo com a magnitude de 6,2 na escala de Ricther devastou os distritos de Nahrin e Burka na província de Baghlan a Norte do Afeganistão [Revolutionary Association of the Women of Afghanistan (RAWA). Site:

http://www.rawa.org/nahrin-ph.htm]

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Figura 3 - Edificação em terra na localidade de Alcochete

Figura 4 - Edificação em adobe, com danos severos nas esquinas das paredes, Tajikistan, Kairakkoum, 1985 [European Macro seismic Scale, 1998]

Figura 5 - Fenda originada pela má ligação de duas paredes ortogonais, em Alcochete

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Figura 6 - Edificação em adobe, onde se observam fissuras grandes e extensas após o sismo, East Kazakhstan, Saisan, 1990 [European Macro seismic Scale, 1998]

Figura 7 - Danos no canto esquerdo da edificação em adobe, enquanto que a parte direita se apresenta sem prejuízos sérios, Carpathia, Moldova, Leovo, 1986 [European

Macro seismic Scale, 1998]

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