porque é que alguns edifícios não caem? -...

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.

Mestrado Integrado Em Engenharia Civil Equipa 11MC04_3

1


Palavras-chave · Sismos

· Estruturas

· Vulnerabilidade sísmica

· Concepção estrutural

· Deformações

· Soluções estruturais


2


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!


3


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


4


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


5


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


6


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.


7


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.


8


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


9


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


10


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.


11


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


12


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.


13


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.


14


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.


15


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


16


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.


17


Bibliografia

● (1) Instituto Português do Mar e da Atmosfera, 2016,“Atividade sísmica” Mapa dinâmico,

IPMA, Acedido a 13-10-2016

https://www.ipma.pt/pt/geofisica/sismicidade/

● Diário de Notícias, 2009, “Sismo” Porque acontecem os sismos? , DN, Acedido a

11-10-2016

http://www.dn.pt/dossiers/cidades/sismos/noticias/interior/porque-acontecem-os-sismos-14

49771.html

● C.V.R.Murty IITK, 2002, “Learning Earthquake design and construction”,NICEE, Acedido a

12-10-2016

http://nicee.org/EQTips.php

http://www.iitk.ac.in/nicee/EQTips/EQTip01.pdf




● Wikipédia, 2016, “Crosta terrestre” Constituição da crosta ,New York: W.H. Freeman and

Company, Acedido a 11-10-2016

https://pt.wikipedia.org/wiki/Crosta_terrestre

● Aguiar, António,2012, “Ondas e terremotos”,Instituto de Física Universidade Federal do Rio

de Janeiro, Acedido a 08-10-2016:

http://www.if.ufrj.br/~pef/producao_academica/artigos/2012_toni_1.pdf

● Estêvão. João,2012, “Efeitos da ação sísmica no comportamento de edifícios de betão

armado com alvenarias de enchimento”,IST, Acedido a 08-10-2016

http://w3.ualg.pt/~jestevao/JMCE_Tese_Final_web.pdf ● Francesco Marazzi, Daniel Tirelli,2010 “Combate dos sismos” projetar e testar edifícios

anti-sísmicos, EIROforum ,Acedido a 06-10-2016

https://www.google.com/url?q=http%3A%2F%2Fwww.scienceinschool.org%2Fpt%2F2010

%2Fissue15%2Fearthquakes

● DIAS, J. Alveirinho,2006, “Geologia Ambiental” Sismos: Sismicidade de Portugal,

Acedido a 11-10-2016:

http://w3.ualg.pt/~jdias/GEOLAMB/GA5_Sismos/57_Portugal/572_SismicidPort.html

● NESDE, 2005, “Informações de interesse geral” Resistência e vulnerabilidade sísmica dos

edifícios, NESDE, Acedido a 14-10-2016

https://www.google.com/url?q=http%3A%2F%2Fwww-ext.lnec.pt%2FLNEC%2FDE%2FNE

SDE%2Fdivulgacao%2Fvulnerabilidade.html


18


● Futureng, 2003, “Light Steel Framing” Desempenho do LSF perante sismos, Futureng,

Acedido a 14-10-2016

https://www.google.com/url?q=http%3A%2F%2Fwww.futureng.pt%2Flsf-sismos

● WITTFOHT, 1977, H. Puentes – Exemplos internacionais. Barcelona: Gustavo Gili, “A Concepção Estrutural e a Arquitetura” - Yopanan C. P. Rebello, Acedido a 15-10-2016

ftp://ftp.usjt.br/pub/revint/309_51.pdf ● Dantas, André, professor na Universidade de Canterbury:

ultimosegundo.ig.com.br


19

porque é que alguns edifícios não caem? -...

Documents