DISSIPAÇÃO DE ENERGIA EM EDIFÍCIOS

Texto

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DISSIPAÇÃO DE ENERGIA EM EDIFÍCIOS

Aplicação de Dissipadores Viscosos a um Edifício Alto

Mauro Filipe Santos Monteiro

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Júri

Presidente: Professor José Manuel Matos Noronha da Câmara Orientador: Professor Luís Manuel Coelho Guerreiro

Vogal: Professor João Sérgio Nobre Duarte Cruz

Outubro de 2011

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AGRADECIMENTOS

Quero dedicar esta página a todos os que, directa ou indirectamente, prestaram a sua preciosa e indispensável contribuição durante o meu percurso académico, com a qual enriqueceram e tornaram possível a realização deste grande desafio.

Ao Professor Luís Guerreiro, quero agradecer pela sua disponibilidade para ser orientador científico da minha Dissertação de Mestrado e pelo interesse e disponibilidade sempre demonstrada. A sua sabedoria, sentido crítico e grande capacidade para ensinar tornaram este trabalho muito mais rico.

O maior agradecimento vai para os meus pais, que sempre me apoiaram e incentivaram ao longo do Curso. Sem eles nada disto teria sido possível!

Ao meu irmão Pedro Monteiro, quero agradecer pela amizade e pela paciência demonstrada ao longo destes anos. Em breve terás um computador novo.

À Diana um especial agradecimento pela sua ajuda, paciência e dedicação.

A todos os meus amigos e colegas de Curso um grande obrigado pelos momentos passados, em especial ao Marcelo Serrano e ao Miguel Bárbara que sempre me acompanharam nas horas de trabalho, estudo e lazer.

Por fim, um grande obrigado ao Pedro Nunes que me auxiliou na Dissertação com uma revisão rigorosa do texto.

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RESUMO

Na presente dissertação desenvolve-se um estudo detalhado que visa avaliar a eficácia da aplicação de uma tecnologia de protecção sísmica em edifícios. Neste sentido, é analisado o desempenho de um edifício alto, face à acção sísmica, quando aplicado um sistema de dissipação de energia. A solução de dissipação considerada é composta por dissipadores viscosos que são colocados em altura nas diagonais entre pisos da estrutura em causa.

Com este trabalho, pretende-se testar diferentes formas de distribuição de um conjunto de dissipadores em altura, de modo a obter uma melhor resposta sísmica da estrutura.

Assim, o trabalho começará pela caracterização e pelo estudo do comportamento dos dissipadores viscosos. Posteriormente, estes dispositivos serão aplicados numa estrutura tipo, que servirá de elemento de referência para a análise seguinte.

Após se definir a capacidade total de dissipação de energia a aplicar no edifício em estudo desta dissertação, serão analisados diversos esquemas de distribuição dos dissipadores ao longo da sua altura, tentando optimizar a disposição das características globais dos dispositivos de dissipação utilizados, de forma a garantir um melhor desempenho sísmico da estrutura.

PALAVRAS-CHAVE

 Sistema de Dissipação de Energia

 Dissipadores Viscosos

 Acção Sísmica

 Acelerograma

 Edifícios Altos

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ABSTRACT

This paper presents a detailed study on the evaluation of the effectiveness of seismic protection technology on buildings. With this purpose, the performance of a tall building under seismic action is analyzed, when an energy dissipation system is installed. The dissipation solution adopted consists on several viscous dampers which are placed diagonally between all structure’s floors.

The main purpose of this paper consists in testing different ways to distribute a set of dampers along the height of the building, to obtain a better seismic response of the structure.

In order to begin this study, a characterization of the viscous dampers is carried out and their response behavior is analyzed. Then, the dampers will be applied to a structure model, which will provide a reference point for the subsequent analysis.

After determining the total energy dissipation capacity of the dampers installed on the studied building, several arrangements along its height will be tested. This distribution is optimized by changing the placing and characteristics of the dampers, in order to achieve the best possible structure’s performance under seismic action.

KEYWORDS

 Energy Dissipation Systems

 Fluid Viscous Dampers

 Seismic Action

 Accelerogram

 Tall Building

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ÍNDICE DO TEXTO

1. INTRODUÇÃO ...1

1.1 GENERALIDADES ... 1

1.2 ESTRUTURA DA TESE ... 2

2. ESTADO DE ARTE ...5

2.1 SISMICIDADE HISTÓRICA ... 5

2.2 SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA ... 7

2.2.1 Isolamento de Base ... 8

2.2.2 Sistemas de Dissipação de Energia ... 10

2.3 UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA NO MUNDO ... 13

2.4 UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA EM PORTUGAL ... 15

2.5 ANÁLISE DA REGULAMENTAÇÃO ACTUAL ... 17

2.5.1 Modelo de Análise ... 18

2.5.2 Testes de Aceitação ... 19

3. SISTEMAS DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA ...21

3.1 DISSIPADORES VISCOSOS ... 21

3.2 CUSTO ... 25

3.3 MÉTODO DE ANÁLISE ... 26

4. ACÇÃO SÍSMICA ...29

4.1 REPRESENTAÇÃO DA ACÇÃO SÍSMICA ... 29

4.1.1 Sismicidade em Portugal e Zonamento Sísmico ... 29

4.1.2 Modelos de Representação da Acção Sísmica ... 30

4.1.3 Definição e Modelação da Acção Sísmica ... 32

4.1.3.1 Definição dos Acelerogramas ... 32

4.1.3.2 Modelação da Acção Sísmica Através de Acelerogramas ... 33

5. ESTUDO PRELIMINAR ...35

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5.1 DESCRIÇÃO DA ESTRUTURA ... 35

5.2 DIMENSIONAMENTO DOS DISSIPADORES VISCOSOS ... 38

5.3 OPTIMIZAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DE DISSIPADORES EM ALTURA ... 42

5.3.1 Estudo 1 ... 42

5.3.2 Estudo 2 ... 44

5.3.3 Estudo 3 ... 46

6. CASO DE ESTUDO ...49

6.1 DESCRIÇÃO DA ESTRUTURA ... 49

6.2 ANÁLISE MODAL DA ESTRUTURA ... 51

6.3 RESPOSTA SÍSMICA DO MODELO SEM DISSIPAÇÃO DE ENERGIA ... 53

6.3.1 Força de Corte Basal ... 53

6.3.2 Deslocamentos ... 53

6.4 DIMENSIONAMENTO DOS DISSIPADORES VISCOSOS ... 56

6.5 DISTRIBUIÇÃO UNIFORME DOS DISSIPADORES EM ALTURA (TESTE 0) ... 62

6.5.1 Força de Corte Basal ... 62

6.5.2 Deslocamentos ... 62

6.6 OPTIMIZAÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO DE DISSIPADORES EM ALTURA ... 66

6.6.1 Distribuição com base nos Deslocamentos Relativos ... 67

6.6.1.1 Teste 1 ... 69

6.6.1.2 Teste 2 ... 69

6.6.1.3 Teste 3 ... 70

6.6.1.4 Teste 4 ... 71

6.6.2 Distribuição com base nas forças axiais dos dissipadores ... 72

6.6.2.1 Teste 5 ... 72

6.6.3 Comparação de Resultados ... 73

6.6.3.1 Análise da Força de Corte Basal ... 74

6.6.3.2 Análise dos Deslocamentos ... 75

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6.7 ESTUDO DOS DISSIPADORES NA DIRECÇÃO OPOSTA (DIRECÇÃO X)... 80

6.7.1 Análise da Força de Corte Basal... 81

6.7.2 Análise dos Deslocamentos ... 82

7. CONCLUSÃO ...87

7.1 OPTIMIZAÇÃO ... 87

7.2 LOCALIZAÇÃO DOS DISSIPADORES ... 88

7.3 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 88

8. REFERÊNCIAS...91 ANEXOS

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ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 2

Figura 2.1 – Epicentros de sismos ocorridos entre 1963 e 1998 (NASA). ... 6 Figura 2.2 – Representação da camada de isolamento de base (Guerreiro, 2003). ... 8 Figura 2.3 – Efeito da redução da frequência própria da estrutura e do aumento do

amortecimento nos valores das (a) acelerações e (b) deslocamentos induzidos pela acção sísmica (Figueiredo, 2007). ... 9 Figura 2.4 – Exemplos de Sistemas de Isolamento: HDRB, LRB e FPS (Guerreiro, 2003). ... 10 Figura 2.5 – Possibilidades de instalação de dissipadores em edifícios (Guerreiro, 2011). ... 11 Figura 2.6 – Dissipador histérico (Alga a) e um exemplo da sua aplicação na Universidade de

Ancona, Itália (FIP Industriale). ... 11 Figura 2.7 – Esquema de um dispositivo visco elástico [adaptado de (Guerreiro, 2011)] e a sua

aplicação no reforço de edifícios (FIP Industriale). ... 12 Figura 2.8 – Dissipador electro indutivo (Alga a). ... 12 Figura 2.9 – Dissipador por atrito no Edifício da biblioteca da Universidade de Concordia,

Canadá (PALLDYNAMIC). ... 12 Figura 2.10 – Dissipador Viscoso (Alga a). ... 13 Figura 2.11 – Dois exemplos da aplicação dos dissipadores viscosos (Hussain, et al.) (Ekwueme,

et al., 2010). ... 13 Figura 2.12 – Identificação da localização dos edifícios com o sistema de isolamento sísmico de

base e identificação das zonas com maior intensidade sísmica nos últimos anos [adaptado de (NASA)]. ... 14 Figura 2.13 – Aplicação de dissipadores de energia viscosos no Hospital Regional em Colton,

Califórnia (Taylor Devices a). ... 15 Figura 2.14 – Dissipador histérico colocado na Ponte Vasco da Gama (Guerreiro, 2006). ... 16 Figura 2.15 – Dissipador Viscoso colocado no reforço sísmico do Viaduto de Alhandra (Appleton,

et al.). ... 16

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xii Capítulo 3

Figura 3.1 Esquema da constituição de um dissipador viscoso [adaptado de (D. Lee, 2001)]. ... 21 Figura 3.2 – Esquema de um dissipador viscoso (FIP Industriale). ... 22 Figura 3.3 – Comportamento do dissipador viscoso consoante o valor de (Guerreiro, 2006) .. 22 Figura 3.4 – Relação Força-Deformação do dissipador (Guerreiro, 2006). ... 23 Figura 3.5 – Diagrama típico da relação Força-Deslocamento do dissipador para um valor de α

entre 0,015 e 1 (Alga) ... 24 Figura 3.6 – Diagrama típico da relação Força-Deslocamento do dissipador para um valor de

α=0,1 e para um valor de C entre 2000 e 3000 (Guerreiro, 2006) ... 24 Figura 3.7 – Propriedades do dissipador viscoso modelado como elemento de Maxwell para uma

análise não-linear: amortecedor e mola em série [adaptado de (CSI)]. ... 27 Figura 3.8 – Janela do programa SAP 2000 v14.0.0 que permite definir diversos tipos de

dissipadores, nomeadamente os dissipadores viscosos (exemplo). ... 28

Capítulo 4

Figura 4.1 – Zonamento sísmico nacional para o sismo afastado (esq.) e próximo (dir.) (AN, 2009) ... 30 Figura 4.2 – Espectros de resposta – influência do tipo de acção sísmica (AN, 2009). ... 31 Figura 4.3 – Registo da série de acelerações do Sismo de Kobe, 1995, gravado na estação

KJMA [adaptado de (PEER)]. ... 31 Figura 4.4 – Acelerograma A. ... 33

Capítulo 5

Figura 5.1 - Pórtico onde se realizará o estudo preliminar. ... 36 Figura 5.2 - Análise modal da estrutura porticada depois de adicionada uma massa de 25

kN.s2/m em cada nó. ... 36 Figura 5.3 – Evolução dos deslocamentos absolutos em altura. ... 37 Figura 5.4 – Colocação dos dissipadores. ... 38

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Figura 5.5 – Deslocamento relativo máximo do piso 1 em função do valor de C e α usado no

dissipador. ... 40

Figura 5.6 – Deslocamento relativo máximo do piso 2 em função do valor de C e α usado no dissipador. ... 40

Figura 5.7 – Deslocamento relativo máximo do piso 3 em função do valor de C e α usado no dissipador. ... 40

Figura 5.8 – Força basal da estrutura em função do valor de C e α usado no dissipador. ... 41

Figura 5.9 - Distribuições de dissipadores em altura que são alvo de estudo. ... 43

Figura 5.10 – Deslocamentos absolutos e deslocamentos relativos da estrutura original e da estrutura com diferentes distribuições de dissipadores em altura. ... 43

Capítulo 6 Figura 6.1 – Projecto do edifício Broadgate Place (Skyscrapercity). ... 50

Figura 6.2 - Modelo estrutural a três dimensões no SAP2000. ... 50

Figura 6.3 – Planta do piso térreo e de um piso em altura. ... 51

Figura 6.4 – Deformada da estrutura para os três primeiros modos de vibração. ... 52

Figura 6.5 – Esquema representativo da deformada do topo da estrutura devido ao efeito do Sismo segundo X... 54

Figura 6.6 - Esquema representativo da deformada do topo da estrutura devido ao efeito do Sismo segundo Y... 54

Figura 6.7 - Evolução dos deslocamentos absolutos e relativos em altura com base na resposta média da acção sísmica dos 10 acelerogramas na direcção X, para os pontos 1 e 2 da estrutura. ... 55

Figura 6.8 - Evolução dos deslocamentos absolutos e relativos em altura com base na resposta média da acção sísmica dos 10 acelerogramas na direcção Y, para os pontos 1 e 2 da estrutura. ... 55

Figura 6.9 – Estrutura simplificada com a localização dos dissipadores em altura. ... 56

Figura 6.10 - Força de corte basal máxima da estrutura em função do valor de C usado no dissipador, para o sismo segundo X. ... 58

Figura 6.11 - Força de corte basal máxima da estrutura em função do valor de C usado no dissipador, para o sismo segundo Y. ... 58

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Figura 6.12 – Deslocamento absoluto máximo do último piso, no ponto 1, em função do valor de C usado no dissipador, para o sismo segundo X... 59 Figura 6.13 - Deslocamento absoluto máximo do último piso, no ponto 1, em função do valor de

C usado no dissipador, para o sismo segundo Y... 59 Figura 6.14 - Deslocamento absoluto máximo do último piso, no ponto 2, em função do valor de

C usado no dissipador, para o sismo segundo X... 60 Figura 6.15 - Deslocamento absoluto máximo do último piso, no ponto 2, em função do valor de

C usado no dissipador, para o sismo segundo Y... 60 Figura 6.16 - Deslocamentos absolutos e relativos da estrutura sem e com dissipação de Energia

(C=4000), registados no ponto 1, face ao sismo segundo X. ... 63 Figura 6.17 - Deslocamentos absolutos e relativos da estrutura sem e com dissipação de Energia

(C=4000), registados no ponto 1, face o sismo segundo Y. ... 63 Figura 6.18 – Evolução do deslocamento segundo X no topo da estrutura, no ponto 1, para a

acção sísmica do acelerograma A na direcção X. ... 66 Figura 6.19 – Esquema representativo dos deslocamentos considerados para a análise da

distribuição dos dissipadores em altura em função da evolução dos deslocamentos. ... 68 Figura 6.20 – Distribuição do valor de C em altura para cada teste realizado... 73 Figura 6.21 - Força de corte basal para os diferentes testes estudados. ... 74 Figura 6.22 – Força de corte basal (kN) para os diferentes testes estudados com a respectiva

ampliação com a indicação da redução máxima ocorrida em relação ao teste 0. ... 75 Figura 6.23 – Evolução dos deslocamentos máximos absolutos em altura no ponto 1 da estrutura

para acção sísmica na direcção X, para os vários casos de estudo. ... 76 Figura 6.24 - Evolução dos deslocamentos máximos absolutos em altura no ponto 1 da estrutura

para acção sísmica na direcção Y, para os vários casos de estudo. ... 76 Figura 6.25 - Evolução dos deslocamentos máximos relativos em altura no ponto 1 da estrutura

para acção sísmica na direcção X, para os vários casos de estudo. ... 77 Figura 6.26 - Evolução dos deslocamentos máximos relativos em altura no ponto 1 da estrutura

para acção sísmica na direcção X, para os vários casos de estudo. ... 78 Figura 6.27 – Evolução do valor de C em altura... 80 Figura 6.28 - Estrutura simplificada com a posição dos dissipadores em altura e a respectiva

localização na planta da estrutura. ... 81 Figura 6.29 - Comparação da força de corte basal, entre os testes relativos à disposição dos

dissipadores nas duas direcções distintas (X e Y). ... 82

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Figura 6.30 – Comparação dos deslocamentos em X, para o sismo na direcção X, entre os dois testes (teste 0 e teste 1) relativos à disposição dos dissipadores nas duas direcções distintas (X e Y). ... 83 Figura 6.31 - Comparação dos deslocamentos em Y, para o sismo na direcção X, entre os dois

testes (teste 0 e teste 1) relativos à disposição dos dissipadores nas duas direcções distintas (X e Y). ... 83 Figura 6.32 - Comparação dos deslocamentos em X, para o sismo na direcção X, entre os dois

testes (teste 0 e teste 1) relativos à disposição dos dissipadores nas duas direcções distintas (X e Y). ... 84 Figura 6.33 - Comparação dos deslocamentos em Y, para o sismo na direcção Y, entre os dois

testes (teste 0 e teste 1) relativos à disposição dos dissipadores nas duas direcções distintas (X e Y). ... 84

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ÍNDICE DE QUADROS

Capítulo 2

Quadro 2.1 – Principais sismos ocorridos no mundo recentemente [adaptado de (USGS)]. ... 5

Capítulo 5 Quadro 5.1 - Força de corte basal e deslocamentos da sem dissipadores (Acelerograma A). .... 37

Quadro 5.2 - Análise iterativa para determinar o valor da rigidez da mola (k). ... 39

Quadro 5.3 - Força de corte basal da estrutura original e da estrutura com diferentes distribuições de dissipadores em altura. ... 44

Quadro 5.4 - Análise de resultados da distribuição triangular inversa. ... 45

Quadro 5.5 - Análise de resultados de uma nova distribuição (1). ... 45

Quadro 5.6 - Análise de resultados de uma nova distribuição (2). ... 46

Quadro 5.7 - Análise de resultados de uma nova distribuição (3). ... 46

Quadro 5.8 - Análise de resultados de uma nova distribuição (4). ... 47

Capítulo 6 Quadro 6.1 – Características dos três primeiros modos de vibração e respectivas participações de massa. ... 51

Quadro 6.2 – Força de corte basal da estrutura em estudo face à acção sísmica (média dos 10 acelerogramas). ... 53

Quadro 6.3 – Resumo dos valores ou Intervalos de valores de C que se traduzem em resultados próximos ou superiores da redução de 50% para o estudo dos 10 acelerogramas. ... 61

Quadro 6.4 – Força de Corte Basal da estrutura na mesma direcção da acção sísmica. ... 62

Quadro 6.5 - Força de Corte Basal da estrutura na direcção oposta da acção sísmica... 62

Quadro 6.6 – Quadro resumo da análise da resposta da estrutura com uma distribuição uniforme de dissipadores em altura, face à acção sísmica de 10 acelerogramas. ... 64

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Quadro 6.7 - Apresentação das características dos testes efectuados tendo por base a distribuição dos deslocamentos relativos em altura. ... 68 Quadro 6.8 – Determinação da distribuição das constantes características dos dissipadores em

altura (teste 1). ... 69 Quadro 6.9 – Determinação da distribuição das constantes características dos dissipadores em

altura (teste 2). ... 70 Quadro 6.10 – Determinação da distribuição das constantes características dos dissipadores em

altura (teste 3). ... 71 Quadro 6.11 – Determinação da distribuição das constantes características dos dissipadores em

altura (teste 4). ... 71 Quadro 6.12 – Determinação da distribuição das constantes características dos dissipadores em

altura (teste 5). ... 73 Quadro 6.13 - Análise quantitativa da redução dos deslocamentos relativos do teste 1 em

relação ao teste 0. ... 79 Quadro 6.14 – Quadro da Resumo da Análise dos deslocamentos absolutos nos dois testes,

para o sismo segundo X. ... 85 Quadro 6.15 - Quadro da Resumo da Análise dos deslocamentos absolutos nos dois testes, para

o sismo segundo Y. ... 85 Quadro 6.16 - Quadro da Resumo da Análise dos deslocamentos relativos máximos registados

nos dois testes. ... 86

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NOTAÇÃO

MAIÚSCULAS LATINAS

C Constante característica do Dissipador E Módulo de Elasticidade

F Força

Fmáx Força máxima medida na estrutura Fbasal Força de corte basal

Hz Hertz – unidade de medida de tensão

K Rigidez

Ms Magnitude

M Massa

S Factor do tipo de terreno de fundação

V Velocidade

MINÚSCULAS LATINAS

a Aceleração

a(t) Aceleração em função do tempo c Coeficiente de amortecimento d(t) Deslocamento em função do tempo dmáx Deformação máxima medida na estrutura

f Frequência

g Aceleração da gravidade

kg Quilograma – unidade de medida de massa kN QuiloNewton – unidade de medida de força m Metro – unidade de medida de comprimento mm Milímetro - unidade de medida de comprimento n Número natural

s Segundo – unidade de medida de intervalos de tempo t Intervalo de tempo

ton Tonelada – unidade de medida de massa

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xx MAIÚSCULAS GREGAS

∆ Deslocamento

mola Relaxamento (deslocamento) da mola

total Deslocamento total do dissipador

MINÚSCULAS GREGAS

α Constante característica da viscosidade do fluido

αg Valor de cálculo da aceleração à superfície de um terreno do tipo A

αgR Valor de referência da aceleração máxima à superfície de um terreno do tipo A Peso volúmico

Coeficiente de importância

Amortecimento

MATRIZES E VECTORES

Forças devidas ao amortecimento Forças de deformação elástica Forças de Inércia

Vector da aceleração Vector da velocidade

Forças aplicadas exteriormente Vector dos deslocamentos [C] Matriz de amortecimento [K] Matriz de rigidez

[M] Matriz de massa

SIGLAS

FNA Análise Rápida Não Linear (Fast Nounlinear Analysis) FPS Friction Pendulum System

HDRB High Damping Rubber Bearings LRB Lead Rubber Bearings

INSTITUIÇÕES

CEN Comité Européen de Normalisation

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1. INTRODUÇÃO

1.1 Generalidades

Nos últimos anos, tem-se assistido a um constante desenvolvimento de tecnologias de protecção sísmica, fruto da necessidade de projectar e conceber edifícios cada vez mais altos, localizados em áreas com um elevado grau de sismicidade, com capacidade para resistir aos efeitos destrutivos das acções sísmicas.

Os sistemas de dissipação de energia são uma dessas tecnologias que, quando aplicados na estrutura, dissipam uma grande parte da energia fornecida por um sismo, melhorando o comportamento sísmico da estrutura sem o recurso à capacidade de deformação plástico desta.

Este tipo de soluções tem vindo a ser aplicado em edifícios altos, casos onde o problema da deformação se torna mais significativo. Os principais sistemas de dissipação de energia são os do tipo viscoso (força proporcional à velocidade de deformação) ou do tipo histerético (força proporcional ao deslocamento). Existem também sistemas visco-elásticos, electro-indutivos e os dissipadores por atrito.

O uso de sistemas de dissipação de energia não se restringe à protecção de estruturas novas, havendo também exemplos de aplicação como forma de reforço sísmico de estruturas existentes.

O principal objectivo desta dissertação é estudar a configuração mais eficaz de um sistema de dissipação de energia a aplicar para a protecção de um edifício alto. O estudo engloba a definição das características dos dissipadores de energia e a forma como eles se distribuem ao longo da altura do edifício.

A utilização prática de sistemas de dissipação de energia surgiu apenas na última década do século XX. Em Portugal, esta tecnologia ainda não foi utilizada em nenhum projecto para a protecção sísmica de edifícios. Apesar de não ser aplicada em edifícios, esta tecnologia tem sido largamente utilizada a nível de pontes e viadutos. Um objectivo adicional da presente dissertação prende-se com a divulgação desta técnica de modo a possibilitar uma melhor compreensão das vantagens inerentes à aplicação da mesma.

Como foi referido, o propósito deste trabalho consiste no teste de diferentes formas de distribuição de um conjunto de dissipadores em altura. O trabalho começa pela caracterização e pelo estudo do comportamento de dissipadores numa estrutura tipo, que servirá de elemento de referência. De seguida, serão testados diversos esquemas de distribuição dos dissipadores no

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2

edifício de estudo desta dissertação, tentando optimizar as características globais dos dissipadores utilizados para conseguir um melhor desempenho sísmico da estrutura.

Para avaliar a qualidade da solução e do método estudado foram realizadas diversas análises dinâmicas, com a modelação do comportamento não linear dos sistemas de dissipação. Nos estudos apresentados foi sempre considerado que a estrutura dos edifícios se mantém em regime linear.

1.2 Estrutura da Tese

Para além do presente capítulo, a dissertação encontra-se dividida em mais seis capítulos, apresentando-se de seguida uma pequena descrição do conteúdo de cada um deles.

No segundo capítulo, descreve-se o conceito de protecção sísmica, exprimindo, em primeiro lugar, o que motivou o seu aparecimento, e em segundo, as vantagens da aplicação conjunta de um sistema de protecção por isolamento de base e por dissipação de energia. São descritos alguns dos principais tipos de aparelhos de dissipação de energia, apresentando-se as suas propriedades e características gerais. Ainda neste capítulo apresenta-se um resumo da evolução histórica desta tecnologia assim como o estado actual de aplicação dos sistemas de protecção sísmica no mundo e em Portugal.

O capítulo três é relativo à caracterização das propriedades e do funcionamento dos dissipadores viscosos, uma vez que é sobre este sistema de dissipação que se desenvolve a presente dissertação. A última parte deste capítulo é alusiva ao dimensionamento e modelação dos dispositivos de dissipação considerados.

No capítulo quatro é realizada uma breve descrição da acção sísmica de dimensionamento para a análise dinâmica efectuada, seguindo-se a respectiva modelação através de séries de acelerações.

O capítulo cinco prende-se com o estudo das principais características dos dissipadores viscosos e do seu dimensionamento, de modo a garantir o desempenho satisfatório para a protecção sísmica de uma estrutura tipo. Numa segunda parte, apresentam-se alguns testes de forma a optimizar a dissipação de energia global na mesma estrutura.

No capítulo seis descreve-se o edifício utilizado como caso de estudo na dissertação. De forma análoga ao sucedido no capítulo anterior, é desenvolvido o estudo da aplicação de dissipadores viscosos na estrutura em causa. Numa primeira fase determina-se a distribuição uniforme de dissipação que resulta num bom desempenho sísmico da estrutura. Posteriormente são

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3

realizados vários testes, com diferentes distribuições da capacidade de dissipação em altura, nos quais se analisam os esforços e deslocamentos, com o intuito de obter uma solução optimizada que garanta o melhor desempenho sísmico da estrutura.

Por último, no sétimo capítulo são apresentadas as principais conclusões do trabalho desenvolvido, enumerando alguns desafios interessantes para futuros estudos.

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2. ESTADO DE ARTE

2.1 Sismicidade histórica

Os sismos constituem um fenómeno geológico caracterizado por ser um dos desastres naturais que mais impacto tem junto das populações, não só pelos prejuízos humanos e materiais causados, mas também pela sua imprevisibilidade.

Nos últimos 100 anos foram registados mais de 1000 sismos intensos em todo o mundo, originando mais de um milhão e meio de mortes (Guerreiro, 2008). No Quadro 2.1 resumem-se alguns dos principais sismos que recentemente ocorreram no mundo. De referir que em Portugal, no ano de 1755, ocorreu um sismo de grande intensidade em Lisboa, com uma magnitude estimada de 8,7, e que originou um tsunami. Neste acontecimento morreram mais de 70.000 pessoas.

Recorda-se que a magnitude é uma medida da energia libertada pelos sismos. A escala de magnitudes é logarítmica o que significa que a energia libertada por um sismo de magnitude n+1 é cerca de 32 vezes superior à de um sismo de magnitude n (Oliveira, 2004).

Quadro 2.1 – Principais sismos ocorridos no mundo recentemente [adaptado de (USGS)].

Data Local Magnitude Mortes (sismo + tsunami)

26 de Dezembro de 2004 Sumatra, Indonésia 9,1 227.898

11 de Março de 2011 Sendai, Japão 9,0 15.561

27 de Fevereiro de 2010 Maule, Chile 8,8 521

28 de Março de 2005 Sumatra, Indonésia 8,6 1.300

12 de Janeiro de 2010 Haiti 7,0 316.000

17 de Janeiro de 1995 Kobe, Japão 6,9 6.434

Recentemente, o Japão foi atingido por um sismo de grande magnitude, que originou um tsunami com ondas com mais de 10 metros de altura. O efeito combinado destes dois fenómenos causou um elevado número de mortes e estragos, no entanto, o facto de o Japão ser um país extremamente evoluído a nível da protecção sísmica, minimizou significativamente o número de vítimas e o nível de danos devidos às vibrações. Este avanço tecnológico é consequência, principalmente, do sismo de Kobe, uma vez que este sismo veio a expor a vulnerabilidade das infra-estruturas e pôr em causa a resistência da construção japonesa.

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Durante o tremor de terra de Kobe colapsaram vários edifícios, linhas férreas e viadutos que supostamente seriam construções anti-sísmicas. No rescaldo do desastre, estradas, pontes e edifícios foram reforçados e o governo do Japão reviu as políticas de resposta a tragédias deste tipo (Público).

Grande parte da população mundial vive em regiões de perigo sísmico considerável, isto é, em zonas com risco de terramotos de elevada severidade e frequência de ocorrência (Figura 2.1), zonas estas que se encontram sobretudo nas fronteiras das placas litosféricas.

Figura 2.1 – Epicentros de sismos ocorridos entre 1963 e 1998 (NASA).

Como se observa na Figura 2.1, a concentração dos epicentros ocorre, em geral, em áreas bastante desenvolvidas e com uma elevada densidade populacional. Deste modo, torna-se extremamente importante assegurar a necessidade de projectar e conceber nestas zonas edifícios, que consigam fazer face aos efeitos destrutivos das acções sísmicas.

Garantir que uma estrutura é totalmente segura quando sujeita à acção de um sismo é impossível. As incertezas no processo, quer na definição da acção sísmica, quer na definição do modelo de análise, tornam esta tarefa impraticável.

Assim, a avaliação desta situação tem motivado os investigadores na procura de novas soluções e tecnologias para melhorar o comportamento anti-sísmico das estruturas.

Um exemplo destas novas técnicas são os denominados sistemas de protecção sísmica, que constituem todo um conjunto de dispositivos que, quando incluídos na estrutura, melhoram o comportamento sísmico sem o recurso à capacidade de deformação da estrutura (Guerreiro, 2008).

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2.2 Sistemas de Protecção Sísmica

São diversos os tipos de protecção sísmica, sendo normalmente classificados como sistemas de protecção activa ou passiva consoante é necessário ou não o fornecimento de energia para o seu funcionamento. Recentemente apareceram novos sistemas designados semi-activos e híbridos, cujo comportamento decorre duma mistura dos conceitos de protecção activa e passiva (Guerreiro, 2008).

As definições destes termos são apresentadas de seguida, embora o foco principal deste capítulo sejam os sistemas de controlo passivo.

 Sistemas de Controlo Passivo

Estes sistemas são projectados, ou para modificar as características dinâmicas da estrutura (diminuindo as frequências de vibração), ou para dissipar uma grande parte da energia fornecida à estrutura por um sismo, através de dispositivos especializados ou de ligações particulares que se deformam e cedem durante um sismo. Desde que a deformação e a cedência se concentrem nestes dispositivos, os danos nos outros elementos estruturais são muito reduzidos. Estes sistemas são passivos pois não necessitam de nenhuma fonte de energia adicional para actuarem, sendo activados pelo movimento provocado pelo abalo sísmico (Loureiro, 2008).

 Sistemas de Controlo Activo

Estes sistemas garantem protecção sísmica impondo forças às estruturas de modo a anular o efeito do sismo. Estes sistemas são activos, pois requerem uma fonte de energia e uns dispositivos controlados por computador. Os sistemas de controlo activo são mais complexos que os sistemas passivos, pois dependem de um controlo monitorizado de movimentos e acelerações, de sensores de movimento e de mecanismos com memória, isto é, instrumentos que realizem um “feedback” das posições da estrutura. Além disto, estes sistemas necessitam de uma fonte de energia de emergência, que assegure que todos os dispositivos operem durante um sismo.

 Sistemas de Controlo Semi-Activo

Os dispositivos de controlo semi-activo podem ser designados, de uma forma genérica, por aparelhos passivos controláveis, ou seja, sistemas de protecção passiva cujas características podem ser alteradas ao longo da duração do sismo, optimizando o comportamento da estrutura.

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Comparativamente aos sistemas de controlo activo, estes consomem muito menos energia, podendo funcionar, de uma forma geral, com baterias (Oliveira, et al., 2004).

 Sistemas de Controlo Híbrido

Estes sistemas combinam características de sistemas de controlo passivo e activo. Na generalidade, reduzem as necessidades energéticas, aumentam a segurança e reduzem os custos quando comparados com os sistemas de controlo totalmente activos. O funcionamento destes sistemas de controlo híbrido compreende um sistema de controlo activo que actua sobre uma estrutura que possui aparelhos de protecção passiva (Oliveira, et al., 2004).

A tecnologia destes sistemas de controlo encontra-se em pleno desenvolvimento, nomeadamente em amortecedores de atrito variável, em dissipadores de viscosidade variável e em apoios de isolamento semi-activo.

De entre todos os sistemas de protecção sísmica, os mais populares, em virtude da sua maior simplicidade e comprovada eficácia, são os sistemas de protecção passiva (Guerreiro, 2008). O isolamento de base e a utilização de dispositivos para a dissipação de energia, são um exemplo destes sistemas, dando-se particular relevo aos dissipadores viscosos, uma vez que é sobre estes que o estudo apresentado nesta dissertação se desenvolve.

2.2.1 Isolamento de Base

O isolamento de base é uma técnica que consiste na separação parcial do movimento da estrutura relativamente ao movimento do solo, com o intuito de reduzir a transmissão das acelerações horizontais do solo à estrutura. Essa separação é conseguida através da colocação de aparelhos de apoio, com grande flexibilidade horizontal, entre a estrutura a proteger e o solo, criando desta forma uma superfície de descontinuidade.

Pretende-se deste modo que a superstrutura apresente um comportamento semelhante ao de um corpo rígido, como representado na Figura 2.2.

Figura 2.2 – Representação da camada de isolamento de base (Guerreiro, 2003).

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O principal resultado desta técnica consiste na redução da sua frequência própria de vibração, que tem como consequência a redução das acelerações máximas. Em contrapartida, o isolamento de base conduz a um aumento dos deslocamentos, sendo estes concentrados ao nível do sistema de isolamento.

Na Figura 2.3, representam-se as principais alterações induzidas pelo isolamento sísmico, com base na configuração típica dos espectros de resposta de acelerações e de deslocamentos (para níveis de amortecimento de 2, 5 e 10% do amortecimento crítico).

À esquerda, na Figura 2.3(a), verifica-se que a redução da frequência própria de uma estrutura provoca uma grande redução no valor das acelerações impostas pelo sismo e, consequentemente, dos esforços originados pela acção sísmica. Contudo, conforme ilustrado na Figura 2.3(b), a diminuição da frequência provoca um aumento considerável dos deslocamentos (Loureiro, 2008).

Figura 2.3 – Efeito da redução da frequência própria da estrutura e do aumento do amortecimento nos valores das (a) acelerações e (b) deslocamentos induzidos pela acção sísmica (Figueiredo, 2007).

Outra propriedade importante que resulta da introdução do sistema de isolamento sísmico é o aumento da capacidade de amortecimento da estrutura. Deste modo, os aparelhos aplicados permitem a dissipação de grande parte da energia proveniente dos sismos, evitando que esta ocorra através de danos nos elementos estruturais.

Actualmente são vários os tipos de sistemas de isolamento de base disponíveis no mercado que garantem as quatro funções principais que um sistema de isolamento deve apresentar: i) transmissão de cargas verticais; ii) flexibilidade lateral; iii) capacidade de restituição lateral e iv) dissipação de energia (Guerreiro, 2003).

Destes, os mais populares são: blocos de apoio em borracha de alto amortecimento (HDRB de High Damping Rubber Bearings), blocos de borracha com núcleo de chumbo (LRB de Lead Rubber Bearings) e os sistemas pendulares com atrito (FPS de Friction Pendulum System), Figura 2.4.

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Figura 2.4 – Exemplos de Sistemas de Isolamento: HDRB, LRB e FPS (Guerreiro, 2003).

Este método de protecção sísmica, que emprega as vantagens do isolamento de base e da dissipação de energia, é uma técnica de protecção sísmica eficaz mas com elevadas reservas de segurança na eficiência estrutural (Loureiro, 2008).

No entanto, o principal inconveniente da consideração de sistemas de isolamento sísmico é o aumento significativo dos deslocamentos, pois pressupõe custos acrescidos inerentes à consideração de juntas estruturais de grande dimensão. Esta tecnologia é pouco eficiente para a protecção sísmica de edifícios altos onde as frequências da estrutura são baixas e o grau de deslocamentos é mais significativo.

2.2.2 Sistemas de Dissipação de Energia

Uma outra forma de reduzir os efeitos devastadores da acção sísmica sobre as estruturas centra-se no aumento da sua capacidade de dissipar a energia transmitida pelo sismo.

A acção sísmica é responsável pela transferência para a estrutura de uma grande quantidade de energia. Essa energia ou é absorvida através da deformação da estrutura ou é dissipada, em processos mais ou menos controlados.

A utilização de sistemas de dissipação de energia no dimensionamento sísmico corresponde a uma alternativa simples e económica face à concepção tradicional, segundo a qual o comportamento sísmico depende do desempenho de um conjunto de “rótulas plásticas” com comportamento não-linear (Guerreiro, 2006). Assim, quanto maior for a energia introduzida no sistema maiores terão que ser as deformações inelásticas para garantir a sua dissipação. A ideia de conceber dispositivos de dissipação resulta da necessidade de criar mecanismos que permitam consumir a energia do sismo controlando simultaneamente o nível de danos resultantes (Guerreiro, 2008).

Os sistemas de dissipação de energia são dispositivos especialmente concebidos e testados para dissipar grandes níveis de energia sem se deteriorarem. O facto de, através destes dispositivos, se conseguir dissipar a energia de uma forma eficaz, fiável e sem danos estruturais,

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torna esta tecnologia uma alternativa muito credível na protecção sísmica de novas estruturas assim como a nível de reforço sísmico de estruturas já existentes.

Para optimizar o desempenho dos sistemas de dissipação, estes devem ser colocados na estrutura de forma a maximizar a deformação dos dissipadores. Assim, em pontes são normalmente colocados entre o tabuleiro e os encontros, e em edifícios são montados em diagonais como está esquematizado na Figura 2.5.

Figura 2.5 – Possibilidades de instalação de dissipadores em edifícios (Guerreiro, 2011).

Actualmente existem vários tipos de sistemas de dissipação de energia que podem ser utilizados na protecção sísmica de estruturas:

- Os dissipadores metálicos histeréticos dissipam energia e controlam o nível de força horizontal durante um sismo, tirando partido da capacidade de deformação plástica de elementos metálicos, normalmente de aço, Figura 2.6. Nestes sistemas a força depende essencialmente dos deslocamentos impostos ao dissipador e os parâmetros de controlo são a rigidez inicial, rigidez após cedência e o nível de cedência (Guerreiro, 2006).

Figura 2.6 – Dissipador histérico (Alga a) e um exemplo da sua aplicação na Universidade de Ancona, Itália (FIP Industriale).

- Os dissipadores visco-elásticos são constituídos por materiais poliméricos que dissipam energia através de deformações por corte, Figura 2.7. Normalmente, estes dissipadores são utilizados como complemento e em associação com outros dispositivos de prevenção sísmica.

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Figura 2.7 – Esquema de um dispositivo visco elástico [adaptado de (Guerreiro, 2011)] e a sua aplicação no reforço de edifícios (FIP Industriale).

- Os dissipadores electro-indutivos utilizam a velocidade do movimento sísmico para gerar electricidade, transformando a energia cinética em calor, e assim dissipar energia. Estes aparelhos, Figura 2.8, têm duas partes importantes na sua constituição, sendo uma delas constituída por vários ímanes, que criam um campo magnético, e a outra por um circuito eléctrico que se encontra em movimento relativo em relação ao campo magnético (Cardozo, 2010).

Figura 2.8 – Dissipador electro indutivo (Alga a).

- Os dissipadores por atrito dissipam energia através das forças de atrito geradas entre a fricção de dois materiais. Os dissipadores de atrito têm a sua capacidade de dissipação de energia associada ao coeficiente de atrito entre os materiais deslizantes, que ao deslizarem dissipam energia cinética por calor, Figura 2.9 (Cardozo, 2010).

Figura 2.9 – Dissipador por atrito no Edifício da biblioteca da Universidade de Concordia, Canadá (PALLDYNAMIC).

- Os dissipadores viscosos garantem a dissipação de energia ao forçar a passagem de um fluido especialmente viscoso através de orifícios muito pequenos utilizando para isso um sistema cilindro-pistão. Nestes dissipadores a força do elemento depende da velocidade relativa entre as suas duas extremidades. A forma da relação força-velocidade que cada tipo de dissipador apresenta depende essencialmente das características do fluido utilizado e das dimensões do

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dissipador. Os dissipadores viscosos são semelhantes aos sistemas de amortecimento de vibrações utilizados nos automóveis e nas motos, vulgarmente designados por amortecedores.

Como consequência da dissipação da energia sísmica, a utilização dos dissipadores viscosos na protecção sísmica, permite simultaneamente a redução dos esforços e das deformações de uma estrutura, resultando numa redução de danos em elementos estruturais e não estruturais (Taylor, et al.).

Figura 2.10 – Dissipador Viscoso (Alga a).

Figura 2.11 – Dois exemplos da aplicação dos dissipadores viscosos (Hussain, et al.) (Ekwueme, et al., 2010).

Entre os vários sistemas de dissipação de energia referidos, os mais comuns são os dissipadores histéricos e os dissipadores do tipo viscoso, no entanto, irá dar-se particular relevo a este último no próximo capítulo, uma vez que é sobre este que incidirá o estudo. Estes sistemas apresentam uma grande versatilidade que favorece a sua utilização, sendo fácil a sua introdução no sistema estrutural e permitindo uma grande liberdade por parte do projectista, na definição das suas características.

2.3 Utilização de Sistemas de Protecção Sísmica no Mundo

No ano de 1907, em Munique, foi patenteado o primeiro sistema de isolamento sísmico que consistia numa base rígida de suporte do edifício, assente em corpos esféricos de um material rijo. No entanto, este tipo de protecção sísmica, só viria a ser aplicado no ano de 1969 num edifício na Macedónia, já depois de conhecidas diversas propostas de sistemas de isolamento sísmico (Andrade, 2007).

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O aparecimento e desenvolvimento dos apoios elastoméricos, que se desenrolou nos últimos 45 anos, impulsionou a aplicação de sistemas de isolamento sísmico por todo o mundo. As primeiras referências nos E.U.A. e no Japão são da década de 80 (Kelly, et al., 1999).

No entanto, foi após o sismo de Kobe em 1995, que aumentou significativamente a aplicação de sistemas de isolamento sísmico por todo o mundo, uma vez que os resultados em dois edifícios com protecção sísmica existentes perto do epicentro do sismo foram muito satisfatórios, comprovando a eficácia deste sistema de isolamento sísmico (Andrade, 2007).

Em Junho de 2005, foi efectuado um levantamento do número de edifícios isolados sismicamente no mundo, registando-se mais de 2700 edifícios isolados no Japão, 550 na Rússia, 490 na China, 100 nos E.U.A., 31 em Itália, 24 em Taiwan, 19 na Arménia, 11 na Nova Zelândia e algumas situações no México, Chile, Turquia e Índia (Dolce, et al., 2005). Como se observa na Figura 2.12, grande parte destes edifícios isolados sismicamente encontram-se em zonas de grande intensidade sísmica, correspondendo em geral a países desenvolvidos, mas também, em alguns casos, a países em desenvolvimento.

Figura 2.12 – Identificação da localização dos edifícios com o sistema de isolamento sísmico de base e identificação das zonas com maior intensidade sísmica nos últimos anos [adaptado de (NASA)].

O aparecimento dos sistemas de dissipação de energia ocorreu no ano de 1995, no Hospital Regional em Colton, na Califórnia (The Arrowhead Regional Medical Center at Colton), sendo este o primeiro projecto a utilizar dissipadores de fluido viscoso no domínio da protecção sísmica (Taylor, et al.).

O facto de o complexo hospitalar assumir um grau de importância significativo, e se encontrar numa zona de alto risco sísmico, sobre a falha de Sto. André, exigiu um elevado nível de protecção sísmica.

A equipa de projectistas inicialmente pretendia utilizar o sistema de isolamento sísmico a partir das borrachas de alto amortecimento, no entanto, não existiam aparelhos com dimensões suficientes para que estes atingissem o nível máximo de deslocamentos pretendidos.

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Numa tentativa de reduzir os deslocamentos, adicionaram-se assim dissipadores viscosos em paralelo com o sistema de isolamento de base, Figura 2.13.

Figura 2.13 – Aplicação de dissipadores de energia viscosos no Hospital Regional em Colton, Califórnia (Taylor Devices a).

Esta nova tecnologia vinha a ser utilizada como parte do programa estratégico de defesa dos EUA, para proteger silos de mísseis e navios contra explosões nucleares, e após a Guerra Fria os fabricantes destes componentes fizeram a transição desta tecnologia para a aplicação dos amortecedores de fluido viscoso como parte de sistemas de dissipação de energia sísmica (Taylor, et al.).

Hoje existem mais de 150 estruturas nos EUA e mais de 2000 estruturas no Japão que utilizam sistemas de dissipação de energia (Myamoto, et al., 2004). Entre estes, os dissipadores viscosos são os elementos mais populares de protecção sísmica de edifícios altos, permitindo um melhor desempenho durante a acção sísmica, mas também face à excitação provocada pelo vento. Além disso são muito utilizados em pontes e viadutos e em reforço de edifícios com deficiente resistência sísmica, pois não necessitam de alterar o sistema estrutural existente.

2.4 Utilização de Sistemas de Protecção Sísmica em Portugal

Existem, em Portugal, duas realidades completamente distintas no que diz respeito ao uso de sistemas de protecção sísmica. Relativamente aos edifícios, só muito recentemente é que se projectou um edifício com isolamento sísmico de base, constituído por apoios de borracha de alto amortecimento (HDRB) (Guerreiro, et al., 2005). Foi inaugurado em Abril de 2007, e constitui o Complexo Integrado de Saúde (Hospital da Luz), em Lisboa.

Contrariamente ao que acontece com os edifícios, na maioria dos projectos de pontes e viadutos efectuados, especialmente para obras no sul do país coincidentes com zonas de risco sísmico mais elevado, são utilizados sistemas de protecção sísmica. A utilização de apoios elastoméricos em pontes começou no final dos anos sessenta, em substituição dos aparelhos de apoio

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metálicos que se utilizavam então. Posteriormente, começaram-se a utilizar os aparelhos elastoméricos, com a finalidade de reduzir a frequência própria de vibração da estrutura, e mais tarde, ainda adoptando o conceito de isolamento de base, aquando da introdução dos aparelhos elastoméricos de alto amortecimento (Azevedo, et al., 2007).

Na última década do século XX, houve um enorme crescimento na aplicação de sistemas de isolamento, nomeadamente dos HDRB, ao que se juntou a aplicação de dissipadores de energia passivos (Azevedo, et al., 2007).

Hoje em dia, a maioria das pontes e viadutos construídos nas zonas sísmicas mais activas utilizam principalmente dissipadores viscosos, como sistema de protecção sísmica, mas existem também situações, como na Ponte Vasco da Gama, onde são utilizados sistemas de dissipação histeréticos, Figura 2.14. Recentemente, têm sido também utilizados com frequência os dissipadores viscosos no reforço sísmico de pontes e viadutos, Figura 2.15.

Figura 2.14 – Dissipador histérico colocado na Ponte Vasco da Gama (Guerreiro, 2006).

Figura 2.15 – Dissipador Viscoso colocado no reforço sísmico do Viaduto de Alhandra (Appleton, et al.).

Actualmente não existem em Portugal aplicações de sistemas de dissipação de energia em edifícios.

Tal como Portugal, muitos dos países que apresentam regiões caracterizadas por níveis de sismicidade médios ou altos ainda não consideram os sistemas de dissipação de energia, como um sistema eficaz para a protecção sísmica de edifícios.

Localização dos Dissipadores

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17 Várias razões podem ser apontadas para este facto:

 As novas invenções são sempre encaradas com algum cepticismo, principalmente em áreas como a engenharia civil, em que vidas humanas são colocadas em risco em caso de erro, não podendo esse risco ser negligenciado. No entanto, é importante referir que os sistemas passivos de dissipação de energia sísmica, apesar de serem considerados como “novas” tecnologias, já são utilizados há muitos anos na engenharia mecânica (são exemplo, os amortecedores dos veículos e as molas que isolam equipamentos de vibrações verticais) e para além disso têm demonstrado a fiabilidade necessária, através da grande performance que as estruturas têm apresentado durante a ocorrência de sismos de grande magnitude.

 O aumento do custo inicial das construções, induzido pela implementação de uma solução de protecção sísmica, é um outro dos motivos que tem impedido o aumento da utilização destas tecnologias. Em geral, é difícil convencer os investidores a adoptarem uma solução que só permitirá ganhos a longo prazo, resultantes da redução dos danos estruturais originados pelas excitações sísmicas. Podendo eventualmente ser verdade o aumento do preço da estrutura, tem de se ter em conta que com sistemas de protecção sísmica, é possível atingir elevados níveis de segurança em relação à acção sísmica com estruturas mais baratas (sem considerar o custo dos dispositivos de isolamento), devendo a decisão final, ser baseada numa análise correcta de custos e benefícios (Guerreiro, 2004).

 Outro motivo que pode ser apontado é a falta de informação referente a esta metodologia, verificando-se que na maioria das instituições de ensino os sistemas de protecção sísmica nem chegam a ser apontados como um tópico de estudo (Figueiredo, 2007).

O desafio passa então por criar condições que permitam adaptar as tecnologias existentes às aplicações da engenharia civil, e não por tentar desenvolver novas tecnologias.

2.5 Análise da Regulamentação Actual

Hoje em dia, a falta de regulamentação adequada para o isolamento de base está ultrapassada, pois já existe um conjunto de normas que contemplam a aplicação desta tecnologia que enquadra e define a forma de aplicação do isolamento sísmico.

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Relativamente à utilização de sistemas de dissipação de energia, as objecções nunca foram tão fortes como em relação ao isolamento de base, pois o seu conceito sempre foi mais simples de incluir nas formas mais tradicionais de análise sísmica de estruturas, considerando o acréscimo de amortecimento que advém da aplicação dos dispositivos (Guerreiro, 2008).

Desta forma, a existência de regulamentação permite definir a forma correcta de aplicação desta tecnologia e é essencial para fomentar o aumento do número de aplicações dos sistemas de dissipação de energia e promover a consolidação do papel desta técnica na área de protecção sísmica de estruturas.

Por esta razão, efectua-se a descrição de algumas das especificações presentes em três dos principais regulamentos existentes nesta área: o Eurocódigo 8 (CEN, 2004 e prEN 15129 Anti- seismic devices), o Regulamento Italiano (Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni, 2008) e o Regulamento Americano (BSSC, 2003).

2.5.1 Modelo de Análise

Uma das principais preocupações dos diversos conjuntos de normas é indicar quais os tipos de modelos e métodos de análise que são permitidos utilizar na avaliação do comportamento sísmico de edifícios com sistemas de dissipação de energia. Um primeiro passo fundamental é caracterizar o tipo de comportamento do sistema.

O Eurocódigo 8 não faz referência explícita a estruturas com sistemas de dissipação de energia, contudo indica que se a estrutura, para uma situação de projecto sísmico, tiver comportamento não linear é necessário recorrer à análise no domínio do tempo, pelo contrário se tiver um comportamento linear poderá optar-se por uma análise linear (CEN, 2004).

De acordo com o Regulamento Americano e Italiano, para estruturas com sistemas de dissipação de energia, pode ser utilizada uma análise linear somente se os dispositivos de dissipação tiverem comportamento elástico linear (BSSC, 2003) (CSLP, 2008).

No entanto, na maioria dos edifícios os dissipadores de energia utilizados apresentam comportamento não linear e desta forma a opção válida passa a ser a análise não linear dinâmica – no domínio do tempo (time history analysis) (BSSC, 2003) (CSLP, 2008).

Em todos os casos, a análise não linear dinâmica pode ser usada para implementar a dissipação em dispositivos de energia passiva sem restrições. Além disso, também permite avaliar melhor o comportamento estrutural como um todo, em particular em relação à distribuição de dissipadores na estrutura, evitando a deformação concentrada em alguns elementos estruturais, maximizando assim a eficiência do sistema de amortecimento (BSSC, 2003) (CSLP, 2008).

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O regulamento americano refere ainda que, independentemente do método de análise utilizado, o pico de resposta dinâmico (máximo deslocamento, máxima velocidade e máxima aceleração) da estrutura e dos elementos do sistema de amortecimento devem ser confirmados usando a análise não linear no domínio do tempo (BSSC, 2003).

2.5.2 Testes de Aceitação

Os Regulamentos referidos apresentam também uma série de testes de aceitação que visam verificar as propriedades mecânicas dos dissipadores, a viscosidade do fluido, assim como os requisitos de projecto de modo a melhorar eficiência energética dissipada. Os testes devem extrapolar o comportamento do material do dissipador em relação às mudanças ambientais, temperatura interna e envelhecimento.

Como exemplo, transcrevem-se os critérios de base para estes testes de acordo com a norma europeia sobre dispositivos anti-sísmicos:

 Os ensaios devem ser realizados em grupos assegurando que a entrada total de energia para o dissipador em cada grupo de teste não seja superior a duas vezes a energia dissipada pelo dissipador durante um sismo (CEN, 2006).

 Os ensaios devem ser realizados sempre que um novo produto seja diferente por mais de ± 20% em termos de capacidade de carga de uma unidade previamente testada (CEN, 2006).

Como seria de esperar os documentos em análise são semelhantes no essencial das regras que apresentam.

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3. SISTEMAS DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA

3.1 Dissipadores Viscosos

Como já foi descrito anteriormente, existem sistemas de dissipação que dissipam a energia com base em vários fenómenos físicos: por deformação plástica: de metais, por atrito ou através de um comportamento viscoelástico. Todos estes tipos de dissipadores utilizam a acção de materiais sólidos para dissipar energia. No entanto, como será discutido no presente capítulo, os fluidos também podem ser utilizados em sistemas de protecção sísmica do tipo dissipador.

Os dissipadores viscosos são compostos por um cilindro contendo um fluido de alta viscosidade, e um pistão livre que se pode movimentar em ambos os sentidos, criando duas câmaras, tal como se esquematiza na Figura 3.1.

Figura 3.1 Esquema da constituição de um dissipador viscoso [adaptado de (D. Lee, 2001)].

O seu funcionamento é simples: durante a actuação de um sismo, a força gerada pela aceleração imposta é transmitida ao dissipador, no qual existe um “circuito” hidráulico apropriadamente projectado, que controla a passagem do fluido através de pequenos orifícios em que o líquido é comprimido de uma câmara para a outra devido ao movimento relativo entre as duas extremidades do dissipador, Figura 3.2. A energia dissipada é função da velocidade com que o fluido atravessa os orifícios. Quanto maior for a velocidade, maior será a energia dissipada pelo amortecedor viscoso. Dependendo de cada caso de aplicação, podem-se usar fluidos mais ou menos viscosos, de acordo com a quantidade de energia que se deseja dissipar (Cardozo, 2010).

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22

Figura 3.2 – Esquema de um dissipador viscoso (FIP Industriale).

A força gerada num dissipador viscoso é caracterizada por uma lei constitutiva expressa pela seguinte relação:

(3.1)

Onde:

– força no elemento dissipador;

V – velocidade relativa entre as extremidades do dissipador;

– constante característica do dissipador, função do seu diâmetro e da área de orifícios da passagem do líquido;

– constante característica da viscosidade do fluído. O valor de pode variar entre 0,1 e 1,80 de acordo com a viscosidade do fluido e do tipo de válvulas do dissipador (Guerreiro, 2006).

De uma forma geral, o aparelho transmite à estrutura uma força pouco significativa para situações em que a velocidade relativa entre as extremidades do dissipador é pequena, sendo o caso das variações térmicas, da retracção e da fluência. Contudo, quando a velocidade é elevada, no caso dos sismos e de acções dinâmicas como o vento em edifícios altos, o dissipador reage com a força para o qual foi dimensionado.

O tipo de relação força-velocidade que cada tipo de dissipador apresenta, depende essencialmente das características de fluido utilizado, que neste caso se traduz na variação da constante característica do dissipador, α, que como mostra a Figura 3.3, conduz a comportamentos distintos.

Figura 3.3 – Comportamento do dissipador viscoso consoante o valor de (Guerreiro, 2006)

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23

α < 1 - a força cresce bruscamente para baixas velocidades atingindo um limite máximo.

Deste modo, o dissipador comporta-se como um aparelho “fixo” para estes valores de velocidade, o que permite controlar a máxima força transmitida para a estrutura.

α = 1 - a força cresce linearmente com a velocidade. Aplica-se directamente o conceito de coeficiente de amortecimento (ζ).

α > 1 - o dissipador comporta-se como um aparelho “móvel”, uma vez que, para solicitações com valores baixos de velocidade, a força no dispositivo é quase nula. Só quando actuado por velocidades significativas é que este tipo de dissipadores exerce influência na resposta da estrutura. Os dissipadores viscosos com esta característica são designados por shock absorbers (Loureiro, 2008).

Relativamente ao amortecimento que um determinado dissipador introduz na estrutura, este é medido pela sua capacidade de dissipação de energia em cada ciclo, e que no caso dos dissipadores viscosos é devido ao seu comportamento viscoso.

A energia dissipada em cada ciclo pode ser avaliada através do cálculo da área interior do ciclo medida na curva que relaciona a força no dissipador com a sua deformação, Figura 3.4, uma vez que está relacionada com o valor do coeficiente de amortecimento equivalente , que pode ser estimado, a partir da seguinte expressão:

(3.2)

– máxima força medida na estrutura,

– máxima deformação medida na estrutura.

Figura 3.4 – Relação Força-Deformação do dissipador (Guerreiro, 2006).

Assim, a capacidade de dissipação de energia de um dissipador será tanto maior quanto mais

“rectangular” for o seu ciclo completo, na relação força-deformação.

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24

Como se pode verificar pela Figura 3.5, quanto mais próximo de zero for o valor de α maior será a área do ciclo e, consequentemente, a quantidade de energia dissipada por ciclo para um esforço máximo na estrutura.

Figura 3.5 – Diagrama típico da relação Força-Deslocamento do dissipador para um valor de α entre 0,015 e 1 (Alga)

Pode-se concluir, que para optimizar o resultado, deve-se utilizar um valor de α o mais baixo possível, que no limite será de 0,1. Este valor poderá no futuro diminuir, mas dependerá sempre de desenvolvimentos tecnológicos para melhorar o comportamento e a viscosidade dos fluidos a usar nos dissipadores viscosos.

Em relação às características do dissipador, o parâmetro C não altera a forma do ciclo força- deformação, contudo, aumenta a área interna do ciclo. O aumento do valor de C conduz a uma maior capacidade de dissipação de energia mas, em contrapartida, aumenta a força no dissipador, Figura 3.6.

Figura 3.6 – Diagrama típico da relação Força-Deslocamento do dissipador para um valor de α=0,1 e para um valor de C entre 2000 e 3000 (Guerreiro, 2006)

Estes dispositivos têm características e limitações específicas, estando o seu dimensionamento fortemente relacionado com as relações força-deslocamento apresentadas, e com as características próprias das estruturas onde são instalados.

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25

Por fim apresentam-se as principais características dos dissipadores viscosos:

 Altos valores de coeficiente de amortecimento;

 Não necessitam de grande manutenção, pois todas as partes do circuito hidráulico estão dentro do aparelho e por isso protegidas (Alga b);

 O período de vida dos dissipadores é em média superior ao tempo de vida do edifício onde é instalado (Taylor Devices b).

 Os dissipadores podem ser instalados em edifícios novos e existentes com bastante facilidade, uma vez que podem ser incorporados numa estrutura sem comprometer arquitectonicamente o edifício. Este facto torna-os extremamente versáteis para qualquer aplicação.

 Como consequência da dissipação da energia sísmica, a sua utilização permite simultaneamente a redução dos esforços e das deformações de uma estrutura, resultando numa redução de danos em elementos estruturais e não estruturais (Taylor, et al.), sem que para isso acrescente rigidez ao edifício, pois o período fundamental da estrutura permanece o mesmo. A experiência com esses projectos mostra que a instalação de dissipadores viscosos em edifícios pode reduzir até cerca de 50% das acelerações e dos deslocamentos entre pisos (Constantinou, 1992) (Hussain, et al.).

3.2 Custo

A resposta dinâmica de um edifício depende de diversos factores da estrutura, incluindo a sua rigidez, forma, massa, e o seu amortecimento. O nível de amortecimento pode ser intrínseco da própria estrutura ou ser adicionado a partir do exterior, e traduz-se no grau de dissipação de energia que pode proporcionar à estrutura melhorando o seu desempenho.

À medida que a altura de um edifício aumenta há uma tendência decrescente do grau de amortecimento intrínseco da estrutura, e desta forma o recurso a técnicas de amortecimento a partir de sistemas de dissipação assume uma importância significativa para controlar a resposta dinâmica, sendo muitas vezes o método mais económico, ao invés de se rigidificar ainda mais a estrutura (The Arup Journal, 2008). Apesar de ser um custo adicional, no total pode representar cerca de 1% do custo final de construção do edifício (Myamoto, et al., 1998), pelo que a longo prazo irá justificar plenamente o uso dos dissipadores para protecção sísmica das estruturas.

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