Faculdade de Engenharia Da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
«Projeto FEUP» 2016/2017
Porque é que alguns edifícios não caem?
Natureza da Ação Sísmica e os seus efeitos sobre os Edifícios
Docente: Manuel Firmino da Silva Torres
Coordenador: Xavier Romão
Monitor: Carolina Cabanelas Equipa 11MC04_3:
Ângela Mazau, Arthur Freygang, Diamantino Amaro, Gabriela Teixeira, Luís Agra e Pedro Rebelo
PROJETO FEUP 2016/2017
Resumo
Ao longo dos últimos anos, a sismicidade tem sido causa de muitas
preocupações não só para os engenheiros civis e arquitetos, mas também para toda a
sociedade.
Uma das nossas principais prioridades é compreender a relação entre os efeitos
da ação sísmica e a concepção das estruturas de modo a evitar o colapso das mesmas.
Antes de concluirmos o que quer que seja e de respondermos ao desafio que
nos foi proposto no tema desta dissertação, é necessário termos conhecimento do que
são os sismos, quais os tipos de sismos existentes, como surgem e quais os impactos
que estes têm sobre as estruturas.
Os sismos são tremores que ocorrem devido à passagem de ondas elásticas,
ondas essas que são geradas numa determinada zona da litosfera. Estas ondas
elásticas surgem da libertação de energia associada a movimentos súbitos em placas
tectónicas e vários tipos de explosões e implosões, quer naturais ou artificiais.
De uma forma geral, os sismos originam estragos bastante significativos nas
estruturas, podendo resultar na destruição parcial ou total das mesmas. É
principalmente por este motivo que o comportamento dos sismos em conformidade com
a vulnerabilidade das estruturas têm sido alvo de muitas investigações, que visam
minimizar os danos provocados nos edifícios e combater as fragilidades estruturais.
Durante todo este tempo de pesquisa, foram desenvolvidas algumas técnicas de
concepção estrutural e outros fatores que devem ser considerados pelos arquitetos e
engenheiros civis no decorrer do projeto, para que o resultado final seja bem sucedido,
como por exemplo: a utilização do sistema LSF, que consiste em perfis de aço
enformados a frio; o betão armado, o isolamento de base, os dissipadores de energia,
entre outros.
O estudo detalhado destas diferentes aplicações permitirá deduzir
posteriormente a razão de alguns edifícios resistirem aos sismos.
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Palavras-chave · Sismos
· Estruturas
· Vulnerabilidade sísmica
· Concepção estrutural
· Deformações
· Soluções estruturais
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Agradecimentos
A equipa 11MC04_3 vem por este meio agradecer a todos que de alguma forma
dispensaram algum do seu tempo e conhecimento para esclarecer pontos importantes
desta preleção.
Aos Docentes que, no âmbito do Projeto FEUP, transmitiram as suas
experiências profissionais através das palestras realizadas na primeira semana de
acolhimento aos novos estudantes.
Aos Coordenadores e Monitores por toda a paciência, pelas orientações e
conselhos dados no decorrer da elaboração deste trabalho.
Aos Administradores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
(FEUP) que, por pensarem em nós, desenvolveram meios de pesquisa e trabalho aos
quais recorremos muitas vezes para a conclusão do presente relatório, nomeadamente
a Biblioteca.
Às nossas famílias que, durante o nosso percurso académico, sempre
acreditaram nas nossas capacidades e apoiaram incondicionalmente.
Obrigado a todos!
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Lista de Figuras
Introdução
Figura 1 - Sismos registados em Portugal. Fonte: IPMA, 11/10/2016 ..………….....………...6
Capítulo 2
Figura 2 - Representação dos movimentos das ondas de corpo e superfície…………….10
Capítulo 3
Figura 3 - Representação do movimento tardio causado pela inércia numa estrutura….10
Capítulo 5
Figura 4 - Detalhe do pêndulo do edifício Taipei 101…………………………..………………14
Figuras 5 e 6 - Estruturas Ligeiras em Aço………………………………………………….…...15
Figura 7 - Ação sísmica em edifícios com ou sem base isolada…………………..………...16
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Índice
Resumo…………….……………………………………………………….………….….…...1 Palavras-chave……………………….....………..…………………………..……………...2 Agradecimentos…………...……………………….………………………………………...3 Lista de figuras………….……………….…………………………………………………...4 Índice……………………………………………………………………..…………………….5 Introdução……………………………………………………………………………………..6 1. As causas dos sismos……...……………………………….………….………………..8 1.1 A crosta terrestre e seu interior…………..……...…………....…………………….8 1.2 Os sismos………………….…………………………………….……………………....8 2. Movimentos do solo………………………………….…………………………………...9 2.1 Tipos de ondas…………………………….…………………………………………....9 2.2 Ondas de corpo e de superfície……………………………………....……………...9 3. Efeitos dos sismos nos edifícios………………………...…..………………………..10 3.1 Inércia……………………………...………………….………….……………………..10 3.2 Forças interiores………………………………………....…….……………………...11 4. Concepção estrutural…………………………………...……………..………………..12 4.1 Definição……………………..………………………………………………………....12 4.2 Pré-dimensionamento…………………….……………………………………….....12 4.3 Análise estrutural……………………………………….………………………….....12 4.4 Dimensionamento e Pormenorização…………………………………………......13 4.5 Outros aspectos a considerar……………………………..…….………………....13 5. Resultados………………………………….……………………………………………..14 5.1 Sistema de Contrapeso Inercial…………………………….…………………..….14 5.2 Sistemas LSF………………………………………….…………………………..…..15 5.3 Isolamento de base………………………………………………………………......16 Conclusão………………………………………….…………………………………….…...17 Bibliografia…………………………………………….……………………………………...18
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Introdução
O tema designado a esta equipa no Projeto FEUP 2016 foi “A acção dos sismos
sobre os edifícios”. Neste projeto é discutido porque é que alguns edifícios não caem,
as causas e consequências dos sismos sobre edifícios, com objetivo de compreender
conceitos básicos de concepção estrutural. A importância deste tema advém do facto
de Portugal ser um país sujeito a estes fenómenos praticamente todos os dias, apesar
de a maioria destes não serem sentidos pelo homem, o que está explícito na Figura 1.
Figura 1: Sismos registados em Portugal. Fonte: IPMA, 11/10/2016. (1)
Os sismos são movimentos vibratórios bruscos que ocorrem na superfície
terrestre, a maior parte das vezes devido a uma libertação de energia repentina em
zonas instáveis do interior da Terra, com as vibrações provocadas a serem transmitidas
ao longo de uma vasta área. Os sismos mais violentos ocorrem geralmente com menos
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frequência e, desta forma, podemos dizer que a frequência e a intensidade com que
ocorrem os sismos são inversamente proporcionais.
Os sismos podem durar minutos ou segundos, e ainda assim conseguem
provocar grandes consequências como: tsunamis ou maremotos, feridos ou mortos,
quedas de edifícios e destruição de cidades inteiras.
Ao longo deste projeto vamos mostrar as razões que estão por trás de todas
essas catástrofes, desde a natureza da ação sísmica e os seus efeitos sobre os
edifícios, os melhores métodos de concepção estrutural, e mostrar possíveis soluções
para o problema que nos foi levantado.
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1. As causas dos sismos
1.1 A crosta terrestre e seu interior
Há aproximadamente 4,6 biliões de anos, ocorreu uma grande colisão de
partículas que criou a expansão do universo. Devido ao processo de bombardeamento,
uma grande quantidade de calor foi gerada e a temperatura da Terra foi diminuindo
gradualmente. Durante este processo de arrefecimento, os materiais sofreram um
processo de diferenciação de acordo com a sua densidade e temperatura, resultado da
inércia. O material que aflorou gerou a crosta terrestre. A crosta consiste basicamente em placas tectónicas irregulares com uma
espessura de 30 a 80 km na crosta continental e de 5 a 10 km no fundo dos oceanos.
Estas placas estão constantemente a deslizar sobre o magma quente presente no
manto - camada abaixo da crosta. Estas camadas movem-se em diferentes direções e
com diferentes velocidades. Ocasionalmente, as montanhas são criadas quando uma
placa se sobrepõe a outra. Por outro lado, quando duas placas se afastam demasiados
são criadas fendas.
1.2 Os sismos
As placas tectónicas são compostas por material rochoso rígido. Desta forma,
quando essas placas se movimentam e/ou chocam entre si, gera-se um processo de
deformação nas massas rochosas. Quando essa deformação supera os limites de
resistência elástica da massa rochosa, a mesma rompe-se e liberta toda a pressão e
energia acumulada em forma de ondas sísmicas, o que faz com que a terra vibre com
forte intensidade causando assim os tremores, conhecidos como sismos.
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2. Movimentos do solo
2.1 Tipos de ondas
Os sismos geram ondas que se propagam tanto no interior como na superfície da
Terra, podendo percorrer grandes distâncias. Essas ondas geradas são ondas mecânicas.
Substancialmente, são deformações elásticas que carregam energia durante o movimento
(cada partícula efetua apenas um movimento oscilatório) , porém não existe nenhum
deslocamento de massa.
Dependendo da direção da deformação, podemos classificar as ondas mecânicas
em transversais ou longitudinais. Nas ondas transversais, as perturbações ocorrem com
direção perpendicular à direção de propagação da onda, assim como numa corda. Já nas
longitudinais, a perturbação ocorre na mesma direção da onda. A particularidade das ondas
sísmicas é que estas podem ser tanto transversais como longitudinais.
2.2 Ondas de corpo e de superfície
As ondas sísmicas também se classificam em dois tipos: ondas de corpo e ondas
de superfície. Dentro das ondas de corpo, existem as ondas primárias (Ondas-P) e as
secundárias (Ondas-S). Relativamente às ondas-P, as partículas realizam movimentos de
extensão e de compressão na direção da propagação e por serem as mais rápidas são as
primeiras a serem sentidas durante um sismo. Por outro lado, nas ondas-S, as partículas
oscilam perpendicularmente à direção da propagação, fazendo um movimento similar ao de
uma corda. Estas ondas são assim as segundas mais rápida.
Na Classificação das ondas de superfície, existem as Ondas Rayleigh (R) e as
Ondas Love (L). São ondas de grande amplitude e longa duração e, consequentemente são
as mais destrutivas. Nas ondas-R, as partículas movem-se no sentido contrário ao da
propagação, originando movimentos elípticos. Já nas ondas-L, as partículas realizam
movimentos cisalhantes horizontais.
Podemos observar tudo isto na Figura 2
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Figura 2: Representação dos movimentos das ondas de corpo e superfície
3. Efeitos dos sismos nos edifícios
3.1 Inércia As ondas sísmicas oscilam em todas as direções e causam movimentos e
acelerações no solo. Desta forma, qualquer edifício construído que tenha a base apoiada
neste solo sofrerá deslocamentos. A fundação é a primeira a mexer-se, e com base na 1ª Lei
de Newton, o teto tem tendência a permanecer em repouso. No entanto, como as vigas e as
paredes ligam a base à cobertura, o telhado também é afetado ,com um movimento tardio
(Figura 3), uma vez que as paredes e colunas são flexíveis.
Figura 3: Representação do movimento tardio causado pela inércia numa estrutura
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Quando o chão se move, o prédio é projetado para trás. Este movimento pode ser
comparado ao de uma pessoa que viaja em pé num metro quando este subitamente acelera.
Os pés do indivíduo têm tendência a movimentar-se por estarem apoiados sobre a superfície
do metro, no entanto, o resto do seu corpo tem tendência a permanecer parado.
Considerando que um edifício X possui uma massa M e sofre uma aceleração A
provocada pelo sismo, usando a 2ª Lei de Newton (F=M*A), fica claro que prédios mais leves
se sustentam melhor que os mais pesados. Todos os edifícios são projetados para suportar o
seu próprio peso, o que os permite resistir às forças verticais; todavia, não conseguem
manter-se intactos durante a ação dos sismos porque estes causam vibrações em todas as
direções.
3.2 Forças internas
A força da inércia é transmitida do teto para o solo por meio dos pilares. Durante
as vibrações, as colunas ficam submetidas ao movimento relativo entre as duas
extremidades. Contudo, os pilares têm tendência a voltar a ser verticais em linha reta, ou seja,
de resistir às deformações.
Quanto maior for o deslocamento horizontal entre a parte superior e parte inferior
do pilar, maior é a força interna nos pilares. Além disso, quanto mais rígidos forem os pilares,
maior é esta força. Por esta razão, estas forças internas nos pilares são denominadas de
Forças de Rigidez. Quando estas forças excedem o seu limite, existe o risco das vigas se
romperem, causando assim um colapso.
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4. Concepção estrutural
4.1 Definição
Uma concepção estrutural consiste na criação de um sistema com capacidade
de manter uma determinada forma.
A concepção estrutural depende da experiência do profissional. Pode ser um
procedimento bastante pessoal e subjectivo. No entanto, não se retira a possibilidade
da partilha de ideias com outros profissionais, o que contribui para uma solução mais
aprimorada.
Uma estrutura bem concepcionada é o resultado de esforços intelectuais e
físicos. A sua concretização exige uma fase inicial de cooperação entre arquitetos e
engenheiros, passando de seguida por uma fase de trabalhos solitários, em que o
conhecimento teórico em conformidade com a experiência profissional são de
fundamental importância.
4.2. Pré-dimensionamento Na fase de pré-dimensionamento ocorre uma avaliação das prováveis
dimensões da estrutura, tanto para a determinação do seu peso próprio como para a
verificação das interferências com os espaços arquitetónicos e as instalações.
Para o pré-dimensionamento dos elementos estruturais, o engenheiro pode usar
fórmulas empíricas, tabelas e gráficos, que hoje estão disponíveis para uma grande
diversidade de sistemas estruturais. Esta fase do projeto de estrutura é bastante
objectiva, pois baseia-se em procedimentos independentes da subjetividade do
profissional.
4.3 Análise estrutural
A análise estrutural, por sua vez, pode, ainda, ser dividida em duas etapas: uma
que trata da escolha do modelo físico que melhor simula o comportamento real da
estrutura e outra na qual se desenvolve a análise numérica do modelo escolhido. O
processo de escolha do modelo físico, também chamado de “modelação estrutural”,
poderá ser rápido ou não. Este será rápido, se a estrutura concebida for constituída por
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um odelo estrutural consagrado, como por exemplo: uma treliça, cujo comportamento é
muito conhecido. No entanto, há sistemas estruturais já conhecidos que quando
analisados em conjunto com outros elementos pertencentes à mesma estrutura, podem
resultar em modelos mais complexos que podem exigir novas interpretações. Utilizando
como exemplo, um caso muito simples, o apoio de uma viga sobre um pilar: neste caso,
um modelo aparentemente consagrado de viga apoiada em pilar, dependendo da
maneira como for projetada a ligação (pilar x viga), pode permitir diversas
interpretações, tais como viga biapoiada ou pórtico. O modelo que melhor representar a
realidade será o mais adequado para a análise numérica e, com certeza, levará a uma
solução mais económica e de melhor desempenho.
4.4 Dimensionamento e pormenorização
A fase de dimensionamento e de pormenorização é igualmente importante. É
de fundamental relevância que o projetista conheça as ferramentas de execução
disponíveis porque nem sempre um pormenor, aparentemente bem resolvido, tem a
possibilidade de ser executado devido ao facto das ferramentas existentes serem
inadequadas!
O desenho dos pormenores deve ter em conta a possibilidade de ocorrer a
transmissão adequada dos esforços, como os que foram pensados no modelo teórico.
Todos os tipos de detalhes devem apresentar formas esteticamente aceitáveis.
4.5 Outros aspetos a considerar
Não só a concepção e análise estrutural corretamente elaborada, e nem só os
detalhes bem projetados, garantem uma obra de qualidade. Além de tudo isso, é
necessário que o engenheiro pense na boa aplicação dos materiais, para que sejam
minimizadas as perdas, com um bom aproveitamento da mão-de-obra.
O engenheiro de estruturas deve conhecer bem os processos de execução,
saber de que forma os materiais são fornecidos, quais as suas dimensões de mercado
e quais as atividades de cada operário envolvido no projeto, para que possa trabalhar
com o mínimo de perdas, tanto de materiais como de tempo.
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5. Resultados
Depois de termos compreendido a natureza da ação sísmica, os conceitos
básicos de concepção estrutural e a forma de como as estruturas são afetadas,
podemos selecionar alguns métodos anti-sísmicos que têm sido muito utilizados para
minimizar a vulnerabilidade das estruturas.
5.1 Sistema de contrapeso inercial
O sistema de contrapeso inercial é uma das partes mais importantes dos
edifícios com tecnologias modernas anti-sísmicas: instala-se na parte mais alta do
edifício, uma bola suficientemente pesada para movimentar o edifício no sentido
contrário às vibrações do solo, atenuando o movimento, e permitindo que o edifício se
mantenha 40% mais estável durante um sismo (Figura 4) . Este tipo de tecnologia é
encontrada no edifício Taipei 101 de 449 metros localizado em Taipei, Taiwan.
Figura 4: Detalhe do pêndulo do edifício Taipei 101.
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Para complementar este método, também podemos envolver os vidros das
janelas com borrachas, para evitar o contato direto com a esquadria de aço. Desta
forma, enquanto o edifício vibra, o vidro também se movimenta mas de forma
controlada.
Estas tecnologias permitem que os edifícios mais modernos suportem sismos,
sem comprometer a estrutura física da construção. Todavia, cada edifício é construído
para suportar uma intensidade sísmica máxima, por isso alguns edifícios desabam após
sofrerem uma série de vibrações sísmicas num curto espaço de tempo.
5.2 Sistema LSF
O sistema LSF ( Light Steel Framing) significa Estruturas Ligeiras em Aço, e
como o próprio nome indica é um sistema no qual o aço é o material principal da
construção (Figuras 5 e 6).
Figuras 5 e 6 : Estruturas Ligeiras em Aço.
Este sistema acaba por ser uma alternativa eficaz devido a algumas
características do aço, que o tornam bem sucedido.
O aço possui uma firmeza duradoura que não é posta em causa mesmo a longo
prazo, e tem igual resistência em todas as direções, pois não possui zonas ocas.
Devido à sua composição, o aço pode torcer sem quebrar, o que é uma mais
valia no desempenho contra a ação sísmica. Além disso, é também um bom absorvente
de energia.
Relativamente ao betão, madeira e alvenaria, o aço é o material mais leve. Se a
estrutura não for muito pesada, as forças de grande intensidade não serão transmitidas
a estas.
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Podemos também ter em conta que mesmo depois do projeto ser finalizado, o
aço facilita a observação das estruturas a fim de analisar possíveis imperfeições. Em
comparação com outros materiais, o aço não é considerado um material corrosivo, o
que é benéfico na construção.
Apesar do sistema ter sido implementado recentemente, já tem sido muito
utilizado em indústrias de construção civil e até agora tem tido um desempenho
histórico excelente como material estrutural.
5.3 Isolamento de base No Isolamento de Base, a estrutura é “separada” das componentes horizontais
do movimento do solo através da interposição de uma camada com baixa rigidez
horizontal entre a estrutura e a fundação (Figura 7) . Esta interposição reduz a
frequência da vibração provocada pelo sismo, evitando que a estrutura acompanhe o
movimento do solo.
Neste processo o atrito é eliminado e desaparecem quaisquer conexões
horizontais da estrutura ao solo, criando-se uma superfície de descontinuidade.
Figura 7: Ação sísmica em edifícios com ou sem base isolada
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Conclusão
Depois do cruzamento de vários dados e de muitas pesquisas feitas, a equipa
11MC04_3 juntou informações suficientes para dar uma resposta consolidada à
questão problema que nos foi atribuída.
Primeiro começamos por compreender conceitos básicos como as causas e
efeitos dos sismos, bem como os métodos de prevenção contra estes. De seguida,
estudamos as vulnerabilidades estruturais, ou seja, as falhas de construção que
acabam por ser o “ponto fraco” da estrutura. A comparação dos resultados desses dois
temas permitiu-nos concluir que os edifícios não caem porque no processo de
construção são cumpridos alguns parâmetros fundamentais como: uma análise
estrutural elaborada, a utilização de materiais de construção com caraterísticas
singulares que servem como base forte para as estruturas e a conjugação de várias
tecnologias modernas anti-sísmicas que complementam a resistência dos edifícios.
Deste modo, a aplicação conjugada desses três parâmetros permite às
estruturas suportarem o seu próprio peso, os ligeiros fenómenos da natureza e os mais
extremos que podem ser naturais ou resultado das ações humanas, como os sismos.
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Bibliografia
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