ANÁLISE DO RISCO DE DANOS POR VIBRAÇÃO MECÂNICA NOS MONUMENTOS SETECENTISTAS DO

“CAMINHO TRONCO” DE OURO PRETO AUTORES: Luiz Mauro de Resende – Engenheiro Civil/IPHAN/REDEMAT Professor Flávio Sandro Lays Cassino – UFOP/REDEMAT Professor Adilson Rodrigues da Costa – UFOP/REDEMAT

RESUMO A conservação de um Centro Histórico é uma atividade que envolve aspectos múltiplos, passando pelo conhecimento dos materiais e das técnicas construtivas, dos agentes de degradação, das características do solo, da utilização dos espaços, e ainda outros. No caso de Ouro Preto, um aspecto a ser considerado é a incidência de vibrações mecânicas causadas pelo trânsito de veículos automotores. Estas vibrações são transmitidas do solo para as edificações, podendo causar danos.

Esta dissertação estabelece os parâmetros científicos necessários ao entendimento da forma e das conseqüências da presença das vibrações no acervo edificado. Fornece os elementos e possibilita a formatação de um mapa de risco de danos para os setores de maior interesse de preservação. Para tanto, são utilizados conceitos científicos consagrados relacionados à composição e ao comportamento da matéria, conceitos matemáticos e estatísticos aplicados aos resultados obtidos nas medições das vibrações mecânicas dos solos superficiais, e ainda conceitos teóricos específicos da ciência da conservação e do restauro. Tal mapa deverá ser formatado a partir do cruzamento dos dados a serem obtidos com o necessário apoio logístico, e deverá subsidiar as ações restritivas ao trânsito de veículos no Centro Histórico. Ele deverá apresentar os resultados de forma clara e precisa, para facilitar o entendimento das condições às quais estão submetidos determinados monumentos existentes na cidade.

ABSTRACT The conservation of a historical site is an activity which involves multiple aspects, going through the knowledge of material and constructing techniques, the agents of degradation, the characteristics of the settling soil, the use of spaces and others. In the case of Ouro Preto, one aspect to be considered is the incidence of mechanical vibrations caused by the traffic of vehicles. Those vibrations are transmitted from the soil to the buildings and may cause damage.

This insight sets the necessary scientific parameters to the knowledge of the way and consequences of the presence of vibrations within the built heritage. It supplies the elements and enables the making of a damage risk map to the areas of greater interest of preservation. For so, old scientific concepts related to the composition and behavior of material, mathematical and statistical concepts applied to the results obtained in the measurements of mechanical vibrations on superficial soils, and moreover specific theorical concepts of the science of conservation and restoration are used.

Such map will be idealized from the crossing of data obtained with the necessary logistic support, and shall subsidize the restrictive actions to traffic of vehicles in the Historical Center. It aims to show, clearly and precisely, the results and helps understanding the conditions to which some city landmarks are submitted.

PALAVRAS-CHAVE VIBRAÇÃO MECÂNICA ONDA FREQUÊNCIA DEGRADAÇÃO CIZALHAMENTO

KEYWORDS MECHANIC VIBRATION WAVE FREQUENCY DEGRADATION SHEARING FORCES

INTRODUÇÃO Grande parte dos estudos que envolvem as vibrações nos solos deve-se à necessidade de compreensão dos fenômenos sísmicos de grande porte, os terremotos, pois eles oferecem riscos à vida e ao patrimônio das pessoas. Estes fenômenos estão associados à movimentação das placas tectônicas espalhadas pela superfície do planeta. São registrados em intensidades variadas, sendo que a maioria deles não é sequer percebida sem o uso de equipamento adequado. Sua formação e desenvolvimento são estudados no sentido de minimizar o impacto da sua ação sobre as populações, já que não são fenômenos passíveis de controle pelo ser humano. Os danos ao patrimônio com origem nas vibrações mecânicas são mais intensos em cidades históricas devido às características das suas edificações e pelo tipo de pavimentação das suas vias. Estas edificações são mais sensíveis às vibrações provocadas pelo trânsito de veículos principalmente pela rusticidade do pavimento das suas ruas, que geralmente são em blocos prismáticos de pedra ou paralelepípedos (poliedro regular de rocha ígnea), o que proporciona uma superfície extremamente irregular. Esta irregularidade propicia a geração de mais níveis elevados de vibração frente ao trânsito de veículos automotores. Esta dissertação dá continuidade aos estudos sobre o comportamento das edificações antigas frente à presença das vibrações provocadas pelo trânsito de veículos na cidade de Ouro Preto, mais precisamente, no Caminho Tronco, setor mais antigo e de maior interesse de preservação. Também estabelece os parâmetros científicos da suposta degradação e propõe uma metodologia para elaboração de um Mapa de Risco de Danos para o setor, com a finalidade de subsidiar, caso necessário, as ações restritivas ao trânsito de veículos na cidade.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Em 1974, a Fundação João Pinheiro elaborou o Plano de Conservação, Valorização e Desenvolvimento de Ouro Preto e Mariana [2], no qual eram abordadas, também, as diretrizes para o sistema de transporte. Em 1983 a Empresa Brasileira de Planejamento de Transporte - GEIPOT e a Empresa Brasileira dos Transportes Urbanos – EBTU, ambas do Ministério dos Transportes, publicou o Estudo de Transportes Urbanos de Ouro Preto [3], com recomendação para implantação imediata. A finalidade era de promover a ordenação da circulação de veículos no NH de Ouro Preto, visando à preservação do seu valioso patrimônio histórico-cultural. Nas conclusões as vibrações e as cargas decorrentes do tráfego pesado são apontadas como responsáveis pelas deformações acentuadas nos terrenos, rompimentos de galerias, e sobrecarga nos muros de arrimo. De acordo com o relatório de 2002 a partir dos estudos do Trânsito Pesado em Ouro Preto [4], nas 24 (vinte e quatro) horas ininterruptas da pesquisa efetuada das 18h05 do dia 29 às 18h04 do dia 30 de Outubro de 2001, foram registrados 420 ônibus circulando nas adjacências da Igreja da Ordem Terceira de São Francisco. Este estudo foi resultado do trabalho de 3 entidades: a AMO Ouro Preto, a AMAACH, e o IMPAS, que entenderam que a cidade de Ouro Preto enfrenta o desafio de conciliar a preservação do patrimônio e a necessidade de oferecer condições de vida dignas à população. Em 2005 foi apresentado à 4ª Promotoria de Justiça da Comarca de Ouro Preto um relatório efetuado pela FUNDAÇÃO GORCEIX/NUMAM - Núcleo de Meio Ambiente o Relatório das Medições de Ruído e Vibrações Junto às Edificações Históricas de Ouro Preto [5]. Este trabalho demonstrou como os sons e as vibrações em geral são capazes de desenvolver ações físicas. O efeito das ondas sonoras é conhecido pela física, tendo em vista a natureza vibratória das estruturas. Como exemplo dos riscos desta natureza vibratória, foi citada a marcha cadenciada de soldados passando por uma ponte, a passagem de aviões a jato (ruptura de vidros e objetos frágeis, não fertilização de ovos em incubadeira), emissão vocal de certas notas musicais por tenores, e o trânsito de veículos em construções históricas, como o Coliseu de Roma. Mais recentemente, no primeiro semestre de 2008, foi finalizado um trabalho de pesquisa realizado pela Escola de Minas da UFOP, com apoio da Novelis, com o título de Diagnóstico e Preservação da Pavimentação com Paralelepípedo e seus Efeitos Ambientais nos Monumentos Históricos de Ouro Preto [6]. De acordo com o primeiro item dos Parâmetros de Medição de Vibração do referido trabalho, analisando o Manual de Gestão Ambiental de Estradas [7], os efeitos da vibração são divididos em duas categorias: (I) Efeitos sobre o Homem: O homem sofre efeitos psicológicos e fisiológicos oriundos das vibrações causadas pelo tráfego. Os efeitos psicológicos geram reações influenciadas pela experiência anterior. Se elas forem ruins ou desagradáveis, o homem tenderá a manter uma expectativa que potencializa a sensação dos efeitos da vibração. Os efeitos fisiológicos podem ser muito variados, podendo-se citar o enjôo e a fadiga como conseqüências mais comuns. Tais efeitos são sentidos mais pelos motoristas e passageiros dos veículos. (II) Efeitos sobre as Edificações: Os danos causados pelas vibrações podem afetar as edificações, tanto em seus elementos estruturais como em seus elementos estéticos. Os

danos estruturais em geral se dão sobre edificações antigas, alargando rachaduras, por exemplo. Os danos estéticos se dão com o rompimento de acabamentos, deslocamento das telhas, trincas, etc., que, normalmente, não afetam a segurança das edificações. A tabela abaixo apresenta uma comparação entre as reações humanas e os efeitos nas edificações em função das vibrações, definidas pela velocidade de pico das partículas. Tabela I - Comparação entre Reações Humanas e Efeitos sobre as Edificações VELOCIDADE DE PICO DA PARTÍCULA (mm/seg)

REAÇÕES HUMANAS EFEITOS NAS EDIFICAÇÕES

de 0 a 0,15 Imperceptível Vibrações incapazes de causar qualquer tipo de dano

De 0,15 a 0,30 Limite de percepção, possibilidade de incômodo

Vibrações incapazes de causar qualquer tipo de dano

2,0 Vibrações perceptíveis Limite máximo da vibração ao qual podem estar sujeitos monumentos antigos e ruínas

2,5 Nível no qual vibrações contínuas começam a incomodar

Não existe risco de dano arquitetônico para edifícios normais

5,0 Vibrações incômodas para pessoas em edifícios

Limite no qual existe risco de dano arquitetônico para residências com tetos e paredes com acabamento em gesso

de 10 a 15 Vibrações consideradas incômodas por pessoas sujeitas a vibrações contínuas

Vibrações muito superiores às normalmente esperadas com origem no tráfego. Causam danos arquitetônicos e possivelmente danos estruturais pequenos

Chegou-se então à seguinte conclusão: “Os dados analisados conduzem a valores de vibrações e ruídos superiores ou no limiar dos limites que as normas internacionais preconizam como salutar para a saúde humana e à preservação dos monumentos”.

MATERIAIS E MÉTODOS Conceitos Básicos • VIBRAÇÃO: Qualquer objeto que descreva um movimento rápido tipo vai e vem, no mesmo caminho, está a vibrar (p.ex: corda de guitarra, edificio durante um sismo). • ONDA É uma perturbação que se move através de uma substância (ou meio). As ondas de corpo ou volume propagam-se através do interior da Terra. As ondas de superfície propagam-se imediatamente abaixo da superfície terrestre. • COMPRIMENTO DE ONDA O comprimento de uma onda é a distância entre as cristas desta onda. • AMPLITUDE É a altura de sua crista em relação ao nível médio da substância ou meio.

• FREQÜÊNCIA É uma grandesa que indica o número de revoluções (ciclos, voltas, oscilações, etc) por unidade de tempo. • PÊNDULO Um pêndulo é um corpo pesado suspenso por uma corda, uma corrente ou uma haste. • PERÍODO (T) O período é o tempo gasto para que uma vibração completa. O período de um pêndulo varia como a raiz quadrada de seu comprimento, e não depende da sua massa. • SISMÓGRAFO É o aparelho que registra as ondas sísmicas, ou seja, a medição da intensidade das vibrações no solo. • PATOLOGIA Em restauração se refere ao estudo das lesões ou danos apresentados pelo monumento. • DIAGNÓSTCO É o trabalho de investigação e o estabelecimento das causas dos danos apresentados por uma edificação. • CONSERVAÇÃO É o conjunto de atividades que proporcionam a integridade física do monumento ou bem cultural, levando em conta a defesa dos agentes físicos, químicos e biológicos que o atacam, estendendo a vida útil dos materiais. • PRESERVAÇÃO Consiste na conservação do patrimônio em seu estado atual. • RESTAURAÇÃO A restauração tem por objetivo revitalizar a concepção original, ou seja, a legibilidade do objeto ou do monumento. • LESÃO Toda alteração que acontece nos elementos que conformam o bem cultural em conseqüência da ação de agentes físicos, químicos ou biológicos, levando ao comprometimento da sua estrutura ou do seu aspecto formal. • DANO O mesmo que lesão. • DEGRADAÇÃO Perda da resistência ou da alteração do aspecto formal de um bem de valor cultural. Planejamento Estratégico A estratégia básica recomendada nesta pesquisa foi a criação de um banco de dados contendo: • Levantamento cadastral destacando o arruamento e o casario do Caminho Tronco. • Carta geotécnica de Ouro Preto. • Indicação para monitoramento dos monumentos mais importantes. • Identificação do Risco geotécnico de cada monumento selecionado. • Monitoramento com utilização de sismógrafo das vibrações que incidem nos edifícios em momento crítico de incidência de vibrações. • Estabelecimento do modelo estatístico adequado ao estudo, considerando os número de fatores variantes e o nível de significância dos resultados. E, posteriormente, o cruzamento dos dados obtidos, obtendo assim o Mapa de Risco de Danos.

Parâmetros para a Medição das Vibrações De acordo com Bacci [9], adaptado de Siskind et al., 1980, e também pelas Normas Australiana [10], Indiana [11], e Alemã [12] esses níveis são tabelados de acordo com a freqüência e tipo de estrutura. Já a norma suíça [13], abrange os efeitos nos edifícios acrescentando critérios de avaliação dos danos materiais mantendo os valores da velocidade de partícula (Vp) da tabela da norma alemã.

Figura 1 - diagrama proposto pela recomendação francesa das vibrações admitidas para os três tipos de estrutura. Pela recomendação francesa (fig. 2 acima) [14], os edifícios são subdivididos em três classes: a) Tipo A – edifícios de baixa qualidade mecânica (muros deformados); b) Tipo B – construções de média qualidade mecânica (sem deformações aparentes); c) Tipo C – construções de boa qualidade mecânica (fundações profundas). E as vibrações admissíveis dependem do tipo de terreno onde o edifício foi implantado (tab. II abaixo). Tabela II - valores de velocidade de vibração de partícula, segundo a recomendação francesa

.

Análise Preliminar da Estrutura No sentido de avaliar preliminarmente a aptidão da construção para resistir às vibrações, é comum a adoção de um índice calculado pela razão entre a área efetiva e o peso do edifício. É um dos três métodos simplificados baseado da resistência ao corte das paredes, (Meli, 1998) [15]: I - Razão Entre Área Efetiva e o Peso

Neste método, calcula-se o quociente entre a área efetiva de paredes e o peso da estrutura (sem as fundações) para cada uma das direções principais. II - Percentagem da Área em Planta Percentagem da área total da planta ocupada pelas paredes resistentes ao corte, ou seja, as paredes de contraventamento. Segundo o Eurocódigo 8, as paredes de contraventamento são aquelas em que a espessura é superior a 0.40 m. III - Método Simplificado Baseado na Resistência ao Corte nas Paredes Quociente entre a capacidade que a estrutura tem para resistir à força sísmica VR e o corte basal total imposto pela a ação do sismo (ou força sísmica) VS. A Estatística As questões referentes à degradação do patrimônio com origem nas vibrações passam por estudos de caráter geofísico, mas incluem também o pensamento estatístico, pois as variáveis no processo são muitas: a topografia, o tipo de solo, o sistema construtivo, o estado de conservação, tipo e a conservação da pavimentação da via, e outras. As definições de análise do risco que se podem encontrar nos textos e revistas especializadas são muito diferentes entre si. Esta variabilidade deve-se principalmente ao fato dos conceitos de “risco”, e de “análise do risco” terem evoluído consideravelmente nos últimos trinta anos, utilizando a lógica fuzzy. De acordo com ZADEH [16] e INGEGNERIA Online S.r.l. [17], a lógica fuzzy é uma generalização da lógica tradicional, que interpreta num sentido mais amplo o conceito verdadeiro/falso. A Análise do Perigo (hazard analysis) Considera as probabilidades de um evento acontecer, os efeitos físicos que tal evento pode criar, e a intensidade com a qual pode se realizar. É uma análise física e cientifica do evento, dos danos, sem considerar aspectos econômicos e sociais. A Análise do Risco (risk analisys) considera também os aspectos econômicos e sociais na análise de um evento adverso. Responde perguntas como “quando acontece um evento que tipo de danos cria sobre a comunidade?” Estritamente relacionado com o risco está o conceito de vulnerabilidade de uma área, sendo o conjunto de fatores que determinam a magnitude dos danos.

Figura 2 – Esquemas representativos da análise do perigo e análise do risco

RESULTADOS Os níveis de vibração de partícula seguros foram definidos como "níveis com improbabilidade de produzir fissuras no interior de residências ou outros danos". Para viabilizar a pesquisa, foi inicialmente efetuada a limitação física da área de abrangência, tendo em vista o grau de dificuldade para abranger toda a extensão da cidade. Dentro da morfologia urbana de Ouro Preto foi selecionado um setor especial, conhecido como “O Caminho Tronco” (FIG 5). É um setor composto pela união dos primitivos arraiais que formaram a antiga Vila Rica, posteriormente cidade de Ouro Preto. É totalmente abrangido pela Zona de Proteção Especial, ZPE, estabelecida pelo IPHAN, e nele está localizada a maioria dos monumentos tombados isoladamente pela Instituição na cidade.

Figura 3 – Trecho inventariado pelo Programa Monumenta, destacando o caminho Tronco. FONTE: IPHAN.IMBI-SU. Rio de Janeiro [22].

O valor final a ser representado em cor (escala recomendada de 1 a 10) no Mapa de Risco representa o risco de danos por vibração mecânica das edificações que compõem o acervo arquitetônico do NH de Ouro Preto. Corresponde ao produto dos riscos para cada um dos agentes considerados na questão: o solo, o edifício, e o impulso vibracional (valor máximo Vpp). Fator de Risco por Vibração = Rgeotécnico . 1 . Vpp onde: Rcorte

Rgeotécnico = Grau de risco geotécnico = 1, 2, ou 3, conforme Carta Geotécnica [23], [24]; Rcorte = Resistência das paredes ao corte = área das fundações das paredes / área total; Vpp = Velocidade de pico da partícula obtido através do tratamento estatístico das medições dos níveis máximos de vibração que incidem no edifício.

DISCUSSÃO Genericamente, uma vibração é um movimento oscilatório de um material, sólido ou fluido, que foi afastado da sua posição de equilíbrio. Em Geotecnia [18] a vibração é tida como uma resposta elástica do terreno à passagem de uma onda de tensão. A maioria das solicitações chega às construções através dos solos. Nestes, propagam-se ondas de tensão e deformação de diversos tipos. A velocidade com que estas ondas se propagam no solo depende do seu tipo e características de elasticidade e de massa. Valores típicos desta velocidade, para as ondas de compressão, designadas por ondas p, são 330 a 340 m/s para o ar, 1450 a 1530 para a água, 160 a 600 para aterros, 1000 a 2500 para a argila compacta, 3000 a 3500 para o concreto, 1700 a 7000 para o calcário, 4600 a 8400 m/s para rochas duras (granito, basalto e outras). Desde a origem até ao local de interesse as ondas (bi ou tridimensionais) atenuam-se fundamentalmente por dois mecanismos: o geométrico e o de dissipação. Componentes das ondas de freqüências mais altas atenuam-se mais rapidamente (ou mais próximo da fonte), ondas mais rápidas (em materiais mais rígidos) propagam-se a maiores distâncias. Mas na prática as ondas não se atenuam sempre com a distância. Em meios estratificados e se a sua geometria o favorecer as ondas podem concentrar-se (lembremo-nos das ondas do mar) ou sobrepor-se a outras refletidas, podendo medir-se maiores valores da vibração em pontos mais afastados (Azevedo & Patrício, 2003) [19].

Figura 4 - Atenuação das vibrações com a distância (Jimeno et al., 1995) [20] Porém, os efeitos das vibrações sobre as estruturas não dependem só da distância e do tipo da estrutura, mas também de outros fatores, de entre os quais se destaca a litologia dos terrenos, dado que os efeitos locais prevalecem (Correia, 2003) [21] . A Figura 5 sugere diferentes efeitos das vibrações, em dois edifícios similares, eqüidistantes de uma detonação, um fundado em rocha e outro em solo.

Figura 5 - Efeito da litologia do terreno de fundação nas velocidades vibratórias, em duas estruturas eqüidistantes duma detonação (modificado de Jimeno et al., 1995) [20] De acordo com o Manual Rodoviário de Conservação, Monitoramento e Controles Ambientais [8] o deslocamento de um veículo gera vibrações, que são transmitidas ao ar

e ao solo, as quais se propagam em todas as direções à semelhança das ondas sísmicas. Tais vibrações são causadas: - Pelas irregularidades do pavimento, provocando pequenos saltos; - Pelo funcionamento dos veículos, os quais possuem uma vibração própria; - Pela movimentação normal do veículo e por movimentos bruscos. E os fatores que afetam a intensidade das vibrações que são geradas pelo tráfego são: - o peso e a velocidade dos veículos; quanto maior o peso, maiores as amplitudes das vibrações. A velocidade contribui aumentando a altura de queda, transmitindo maior energia e aumentando, também, a amplitude das vibrações; - a espessura e as condições de conservação do pavimento, pois quanto maior a espessura maior a absorção dos movimentos ondulatórios, porém, para uma pequena redução nas vibrações exige-se um aumento exagerado na espessura; - a natureza do solo e a distância que separa a origem da vibração do local onde elas são percebidas (meios mais ou menos elásticos - argilas orgânicas e rochas, por exemplo).

CONCLUSÕES As vibrações colocam as construções em perigo devido ao movimento induzido nas suas bases. A fundação do edifício tende a seguir o movimento do terreno, mas devido a efeitos de inércia, a sua massa opõe-se a ser deslocada e a seguir o movimento da base. Geram-se sobre a estrutura forças de inércia que são proporcionais à massa do edifício e à aceleração do movimento. A quantificação daquelas forças de inércia e da resposta da estrutura em face delas, é um problema complexo de dinâmica estrutural.

FIGURA 6 – Representação do comportamento de edificação genérica atingida por vibração Conclui-se que, o Mapa de Risco deverá ser construído levando em conta não só a intensidade das vibrações, mas também a sua freqüência (a mais restritiva dentre os parâmetros internacionais, ou seja, 2,0 mm/s), e ainda outros parâmetros relacionados ao meio físico, como a característica geotécnica, e a característica arquitetônica do bem. Propomos que, até que seja viabilizada a construção do mapa de risco, algumas medidas preventivas e mitigadoras sejam tomadas, no sentido de minimizar o efeito danoso das vibrações nos monumentos de Ouro Preto, como a seguir: • Restrição mais efetiva ao trânsito de veículos de qualquer natureza no Centro Histórico de Ouro Preto, notadamente os ônibus e caminhes, reduzindo a intensidade e freqüência das vibrações em sua origem. • Melhoria das condições de pavimentação das ruas em toda a cidade, com ênfase para o Caminho Tronco, ainda no sentido de diminuir a vibração na sua origem.

• Impedir a alteração das características dos terrenos, evitando cortes, grandes aterros e dessaterros, de forma a resguardar as condições de Risco Geotécnico1, 2 e 3, definidas na Carta Geotécnica de Ouro Preto [23], [24]. Esperamos que o Mapa de Risco de Danos por Vibrações para o Caminho Tronco de Ouro Preto possa ser viabilizado em breve, e que sua apresentação seja determinante para a melhoria das condições de conservação do patrimônio histórico e para a diminuição dos índices de incomodidade para as pessoas.

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