Acção Sísmica sobre os Edifícios -...

Acção Sísmica

sobre os Edifícios Porque razão alguns edifícios caem?

Monitora: Catarina Pereira

Turma 4 Grupo 2: José Silva Mariana Magalhães Henrique Amaral Ana Rita Silva Bruno Guimarães

Sebastião Leite

Outubro 2014

Agradecimentos

Introdução

Os sismos, ou tremores de terra, são catástrofes naturais que não podem ser

impedidas e que, conforme a sua intensidade, provocam destruição no local onde

acontecem. Estes são causadores de ferimentos, mortes, desalojamentos e danos

materiais. Por essa razão, os homens sentiram cada vez mais a necessidade de

prevenir, isto é, arranjar forma de, caso surja um sismo, minimizar estragos.

Um sismo é, portanto, um fenómeno natural que consiste na oscilação da superfície

terrestre, a qual é provocada pela libertação de uma grande quantidade de energia e

pela propagação de vibrações transmitidas a uma imensa área. Quanto maior a sua

intensidade, maior é a quantidade e a gravidade de consequências provocadas. Estas

são diversas, sendo que uma delas é o desabamento de edifícios, o qual causa as suas

próprias consequências. Com base nisso, foram sendo idealizadas maneiras de impedir

que os edifícios caíssem. É algo que é cada vez mais urgente, principalmente nas zonas

nas quais os sismos são mais frequentes. Neste trabalho pretende-se fazer uma breve

abordagem às consequências que pequenos erros na realização das estruturas dos

edifícios podem acarretar. Para isso, é importante conhecer o conceito de sismo e

entender com este movimento vibratório atua na superfície terrestre, perceber a

morfologia de um edifício e como cada uma das suas partes estruturais se comporta e,

por último, associar a essas características, problemas físicos que nelas podem atuar.

1 Projeto FEUP – Ação Sísmica Sobre os Edifícios

O que são sismos?

Os sismos, ou tremores de terra, de cujo estudo se ocupa a sismologia, são

movimentos vibratórios com origem nas camadas superiores da Terra, provocados

pela libertação de energia. A energia sísmica dispensa-se, a partir de foco, em todas as

direções e sentidos segundo vibrações que se propagam sucessivamente entre as

partículas; originando ondas sísmicas que fazem tremer a Terra. É de notar que,

durante um sismo, o terreno vibra na vertical e na horizontal e a superfície terrestre

pode ondular tal como o mar.

No estudo das ondas sísmicas, podemos destacar dois grandes géneros: as ondas

inteiras (designadas por ondas primárias (P) e secundárias (S) e as ondas superficiais

(que se dividem nas ondas de Love e de Rayleigh).

Em primeiro lugar as ondas P são ondas de maior velocidade de propagação e

caraterizam-se por comprimir e distender a matéria. As partículas também vibram na

mesma direção da onda sendo, por isso, designadas por ondas longitudinais. Estas

ondas incidem verticalmente nas estruturas sendo a sua ação atenuado pela massa

destas últimas.

Por outro lado, as ondas tipo S deformam os materiais a sua passagem sem alteração

do seu volume, isto é, são ondas de corte. Neste caso, as partículas do meio vibram

perpendicularmente à direção de propagação da onda, sendo, por isso, designadas

ondas transversais. Como incidem transversalmente nos edifícios, a sua ação sobre

estes é mais distribuidora.

No caso das ondas superficiais, daremos atenção exclusiva às ondas de Love. Estas

ondas são muito próximas da caracterização atribuída às ondas tipo S, no entanto,

atuam ao nível da superfície. As ondas de Love “varrem” a superfície terrestre,

horizontalmente, da direita para a esquerda, segundo movimentos de torsão,

atacando, preferencialmente, os alicerces dos prédios.


Zonas de construção não adequadas

Para a construção de um novo edifício é necessário ter em conta a zona onde este vai

ser construído. Uma escolha inadequada do local poderá causar danos futuros, tanto

estruturais, como monetários.

A escolha da localização deve, primordialmente, respeitar um conjunto de fatores

relacionados com o que é suposto construir. Assim, devemos respeitar fatores:

1. Geológicos - onde se deverá ter em conta: a estabilidade e a inclinação do

terreno, a capacidade de carga do subsolo e a tendência a inundações,

terramotos e derrocadas;

2. Climáticos – em que se deverá ter em consideração o risco de danos

provocados pela chuva, queda de neve granizo, vento excessivo e a humidade.

Neste caso, é de apontar que as chuvas intensas e prolongadas que saturaram

os terrenos de água proporcionam a ocorrência de instabilidades de vertente

(essencialmente deslizamentos ou escorregamentos de terras) e de escarpas

(desabamentos e quedas de blocos).

A construção de edifícios em zonas de risco tem consequências graves chegando

mesmo a ser possível o seu desabamento. É de apontar que os sismos atuam de forma

mais percetível em zonas debilitadas como as que foram apontadas acima.


Risco sísmico

Por interesses políticos e económicos, a construção de edifícios com capacidade de

suportar a ocorrência de sismos tem recebido menos atenção. Razão pela qual

continuamos a assistir à construção de edifícios e infraestruturas em locais onde é

frequente a ocorrência de sismos, sem as técnicas adequadas para a redução dos

riscos.

Nas grandes cidades, cuja densidade populacional é bastante grande, situadas em

zonas de elevado risco sísmico é fundamental a existência de edifícios resistentes a tais

catástrofes naturais.

Portugal, no contexto da tectónica de placas, situa-se na placa Euro-Asiática, limitada a

sul pela falha Açores-Gibraltar (FAG) – que corresponde à fronteira entre as placas

euro-asiática e africana – e a oeste pela falha dorsal do oceano Atlântico (como

conseguimos entender na figura seguinte). O movimento das placas caracteriza-se pelo

deslocamento para Norte da Placa Africana e pelo movimento divergente de direção E-

W na dorsal atlântica.

http://www-ext.lnec.pt/LNEC/DE/NESDE/divulgacao/tectonica.html



Devido a este contexto tectónico, o território português constitui uma zona de

sismicidade importante. “A sismicidade observada mostra que a atividade sísmica do

território português resulta de fenómenos interplacas e de fenómenos localizados no

interior da placa (sismicidade intraplacas). Aqui, ao contrário da sismicidade

interplacas que se caracteriza por sismos de magnitude elevada e grande

profundidade, a sismicidade é baixa a moderada e mais difusa, sendo difícil a relação

direta entre as falhas existentes e os epicentros dos sismos.” (http://www-

ext.lnec.pt/LNEC/DE/NESDE/divulgacao/tectonica.html)

No contexto intraplacas podem salientar-se como zonas sísmicas mais importantes de

vido ao histórico de episódios sísmicos que apresentam. São elas: o vale inferior do

Tejo, a região do Algarve, o vale submarino do Sado e a região de Moncorvo.

Para obtermos uma apreciação geral acerca da sismicidade em Portugal continental,

recorremos à carta das isossistas (linhas fechadas que unem pontos de igual

intensidade sísmica) máximas observadas até à atualidade, permitindo-nos concluir

que o risco sísmico no continente é elevado: as maiores concentrações demográficas

situam-se no seu litoral, precisamente nas áreas de maiores intensidades sísmicas

observadas:




http://www.meteo.pt/sismologia/sismologia.html

Sismo de 1 de Novembro de 1755

O sismo de 1 de Novembro de 1755 foi um dos mais destruidores em Portugal, com

uma magnitude aproximada de 8.75 da escala de Richter, e foi o resultado dos

movimentos interplacas que resultou na destruição quase completa da cidade de

Lisboa, especialmente na Zona da Baixa, e atingindo ainda grande parte do litoral do

Algarve e Setúbal.

http://www.meteo.pt/sismologia/sismologia.html


Estrutura de um edifício

A construção de um edifício é realizada por um conjunto de fases de um projecto de

estruturas da obra em questão, desde a sua concepção inicial até à fase final de

dimensionamento, sendo percorridas, ao longo do processo, as fases de Concepção da

Solução Estrutural, Pré-Dimensionamento, Análise Sísmica e Dimensionamento.

Centremo-nos na questão do Pré-Dimensionamento onde, por uma questão de

simplicidade, destacamos três elementos para serem estudados: os pilares, e as lajes.

O que são Pilares?

Um pilar é um elemento estrutural vertical usado normalmente para receber os

esforços verticais de uma construção e transferi-los para outros elementos.

Na engenharia estrutural os pilares, em betão armado, são dimensionados para resistir

à compressão e à flexão. O betão apesar de praticamente não resistir a esforços de

tração, resiste bem a compressão, sendo que em edifícios pequenas dimensões, os

pilares são armados com a armadura mínima exigida pelas normas. Os pilares de betão

também devem receber uma armadura transversal que serva de apoio à armadura

longitudinal para a betonagem e que evite a encurvadura do pilar, quando este estiver

em carga.

O que são lajes?

Uma laje é um elemento de grandes dimensões de superfície plana. É uma peça

laminar de betão armado maciço ou aligeirado que faz parte da estrutura de uma

construção. Ela serve de divisória e de base aos vários níveis (pisos) da construção.


Edificação em alvenaria VS Edificação em betão

armado

O que é uma construção em alvenaria?

Geralmente usada em edifícios de pequena dimensão, a alvenaria trata se de um

processo de construção de estruturas no qual são usados blocos (podem ser de betão,

tijolos, entre outros) ligados entre si por argamassa, gesso ou cimento.

O que é o Betão Armado?

Mais utilizado nos edifícios de tamanhos médios/grandes, o betão armado diferencia

se do betão (junção de cimento, areia, pedra e água) pelo facto de ser reforçado com

varões de aço, grelhas, fibras ou outros materiais inorgânicos.


Edificação em Alvenaria Edificação em Betão Armado

Vantagens

-Pouco tempo de construção;

-Materiais mais baratos;

-Simplicidade da construção;

-Económico.

-Fácil manutenção e execução;

-Fácil adaptação a outros edifícios;

-Elevada resistência a abalos (como os sismos);

-Durabilidade (aumenta ao longo do tempo).

Desvantagens

-Os materiais degradam se rapidamente e a sua manutenção é difícil e dispendiosa;

-Difícil adaptação a edifícios já construídos;

-Elevada vulnerabilidade sísmica.

-Construção lenta;

-Se necessária, a demolição do edifício é muito difícil;

-Elevado peso;

-Mais dispendioso que o método de alvenaria.

Porquê que estes edifícios caem na ocorrência de um sismo?

-Existência de ligações deficientes;

-Utilização de blocos de baixa qualidade;

-Falta de manutenção da estrutura;

-Alterações inadequadas da estrutura.

-Não reparação de danos anteriores;

-Interação da estrutura com paredes não estruturais;

-Irregularidades na construção, que provocam acumulação de esforços.

Tabela 1 – Alvenaria VS Betão Armado


Eurocódigo 8

Os eurocódigos são um conjunto de normas europeias que visam unificar critérios e

normativas de cálculo e dimensionamento de estruturas

(http://www.futureng.pt/eurocodigos). “Os Eurocódigos têm como principal objetivo a

harmonização de um conjunto de regras técnicas para o projeto estrutural de edifícios

e de outras obras de engenharia civil na Europa, podendo ser também aplicados no

resto do mundo.”

(http://www1.ipq.pt/PT/Site/Noticias/Documents/eurocodigos_estruturais_201311.p

df).

Com base no tema deste trabalho, o Eurocódigo 8 é o mais pertinente de todos, visto

que se baseia na ação sísmica e construção de edifícios. Este eurocódigo consiste em

projetar estruturas sismo-resistentes, sendo que se divide em várias partes:

* Parte 1: Regras gerais, ações sísmicas e regras para edifícios (EN1998-1)

* Parte 2: Pontes (EN1998-2)

* Parte 3: Avaliação e reforço de edifícios (EN1998-3)

* Parte 4: Silos, reservatórios e condutas enterradas (EN1998-4)

* Parte 5: Fundações, estruturas de contenção e aspetos geotécnicos (EN1998-5)

* Parte 6: Torres, mastros e chaminés (EN1998-6)

As suas principais finalidades são a proteção da vida dos seres humanos, a diminuição

das perdas económicas e a certificação da manutenção das instalações de proteção

civil importantes.

(http://www.lnec.pt/qpe/eurocodigos/seminario_lisboa/EC8_Parte1_LNEC2010_CC.pd

f).


“O EC8 apresenta uma série de princípios orientadores para a concepção de edifícios

tendo em conta o risco sísmico, de forma a dotá-los de resistência a estas acções:

* Simplicidade estrutural;

* Uniformidade, simetria e redundância;

* Resistência e rigidez bidirecional;

* Resistência e rigidez de torção;

* Comportamento de diafragma ao nível do piso;

* Fundações adequadas.”

(https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395137410625/TESE.pdf)

“Dada a natureza aleatória dos sismos e a limitação dos recursos disponíveis para fazer

face aos seus efeitos, a concretização destes objetivos só é parcialmente possível e

apenas mensurável em termos probabilísticos. O nível de proteção que pode ser

assegurada às diferentes categorias de edifícios, unicamente mensurável em termos

probabilísticos, constitui um problema de otimização da distribuição de recursos e, por

conseguinte, variável de país para país, dependendo da importância relativa do risco

sísmico em relação a riscos

de outra origem assim como dos recursos económicos globais.”

(http://www2.dec.fct.unl.pt/seccoes/S_Estruturas/Dinamica/mine/EC8_1_Portugues.p

df).

Uma vez transposto em Portugal, o Eurocódigo 8 exigiu uma atualização da

regulamentação portuguesa na área dos edifícios e pontes. Esta norma é aplicável nos

vários países da Europa, pelo que cada um tem de adaptar e fortalecer os seus planos

no que toca ao reforço, conforme as caraterísticas do país e a atividade sísmica nesse

mesmo. (http://www.construir.pt/2007/10/19/eurocdigo-8-exige-esforo-de-

actualizao/).


Inércia

“A inércia é uma propriedade física da matéria (e segundo a Relatividade, também da

energia). Considere um corpo não submetido à ação de forças ou submetido a um

conjunto de forças de resultante nula; nesta condição, esse corpo não sofre variação

de velocidade. Isto significa que, se está parado, permanece parado, e se está em

movimento, permanece em movimento em linha reta e a sua velocidade mantém-se

constante. Tal princípio, formulado pela primeira vez por Galileu e, posteriormente,

confirmado por Newton, é conhecido como primeiro princípio da Dinâmica (1ª lei de

Newton) ou princípio da Inércia”.

É ainda de notar que a inércia é característica de todos os corpos dotados de massa.

Desta forma, é fácil de entendermos que a força de inércia atua nos edifícios e que

tem enorme importância quando estes últimos são atingidos por um sismo. Ora, na

prática, se um edifício se encontra em repouso, quando atingido por um sismo, tende

– segundo a lei da Inércia – a permanecer em repouso. No entanto, se a intensidade da

força que lhe é imposta superar a intensidade da força de Inércia (mesma direção e

sentido oposto da primeira força), a estrutura cede e movimenta-se segundo a

vibração que lhe foi imposta.

Em termos práticos, aquando a construção de um determinado edifício “pretende-se

que [este] tenha a capacidade de acumular os movimentos transmitidos pla superfície

terrestre”.


1. Deformação de um corpo

A deformação de um corpo contínuo (ou de uma estrutura) é qualquer mudança da

configuração geométrica do mesmo que leve a uma variação da sua forma ou das suas

dimensões após a aplicação de uma ação externa (como uma tensão ou variação

térmica que altere a forma de um corpo).

As formas de aplicação das tensões que causam deformações no corpo ou estrutura

em questão podem ocorrer por tração, compressão, cisalhamento, flexão e torção.

a. Tração é a solicitação que tende a alongar o corpo e ocorre no sentido

inverso ao apoio ou inércia resultante do sistema de forças.

Basicamente, a tração trata-se de utilizar um corpo e exercer sobre ele

esforços com sentidos opostos, tracionando-o. Na resistência dos

materiais, o objetivo é não permitir que isso aconteça, trabalhando

sempre no regime elástico do material. Neste regime, a peça trabalha

sem deformar-se permanentemente, pois ao ser encerrada a ação da

força, retorna à sua conformação original. Para isso, são feitos cálculos

utilizando o limite entre as duas deformações com um coeficiente de

segurança para que não haja risco de acidentes, sendo projetada assim

uma peça que suporte uma força maior que a mínima.

b. Compressão é a solicitação que tende a encurtar o corpo (reduzindo o

seu volume) e ocorre no mesmo sentido da reação de apoio ou inércia

resultante do sistema de forças. Um exemplo característico de objeto

submetido a esforços de compressão são as colunas dos prédios, que

recebem, com a mesma direção de seu eixo, as cargas acima delas.

c. Cisalhamento ou corte é a solicitação que tende a cortar o corpo e

ocorre com o deslocamento paralelo em sentido oposto de duas

secções contíguas.


d. Torção é a deformação de um sólido em que os planos vizinhos

(transversais a um eixo comum) sofrem, cada um deles, um

deslocamento angular relativo aos outros planos, ou seja, é a

deformação que um objeto sofre quando se lhe imprime um

movimento de rotação, fazendo-se girar em sentido contrário as suas

partes constituintes.

e. Em engenharia denomina-se flexão ao tipo de deformação que

apresenta um elemento estrutural alongado numa direção

perpendicular a seu eixo longitudinal. O termo "alongado" aplica-se

quando uma dimensão é dominante frente às outras. Ou seja, trata-se

de é um esforço físico onde a deformação ocorre perpendicularmente

ao eixo do corpo, paralelamente à força atuante. Um caso típico são as

vigas, que estão projetadas para trabalhar, principalmente, por flexão.

Igualmente, o conceito de flexão estende-se a elementos estruturais

superficiais como placas ou lâminas.

2. Fendilhação

A consideração da fendilhação num determinado projeto está relacionada ao tipo de

obra e à sua finalidade. Assim, no caso de reservatórios, por exemplo, a formação de

fendas de grandes aberturas pode comprometer seriamente a estanqueidade exigida

para este tipo de estrutura. Para edifícios correntes, a fissuração excessiva do betão

pode acarretar, além de problemas estéticos, problemas de deterioração da estrutura

devido à corrosão da armadura.

A ocorrência de fendas ao nível do betão armado é inevitável porque tornar-se-ia

muito dispendioso. Desta forma, aquando da sua ocorrência, a solução será remendar

o estrago para que não se alastrem consequências indesejadas.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Bending.svg


Diversas são as circunstâncias que podem acarretar a formação de fendas, podendo-se

destacar entre elas:

a. Fendas causadas por solicitações devidas ao carregamento, causadas

por ações diretas de tração, flexão ou corte, ocorrendo sempre na zona

tracionada;

b. Fendas causadas por deformações impostas (ações indiretas), tais como

retração, variação de temperatura e assentamentos diferenciais.

Um caso prático de fendas causadas devido ao carregamento acontece quando um

edifício é projetado para um determinado fim (uma habitação, por exemplo) e acaba

por adquirir outra finalidade (como a utilização dessa estrutura para escritórios). Ou

seja, a resistência dos materiais para o segundo caso teria de ser maior do que para o

primeiro. Como essa resistência não é garantida, então podem formar-se fendas no

material que constitui o edifício.

É ainda de notar que, aquando a abertura de fendas, a parte armada do betão é sujeita

a uma exposição ambiental. O limite de abertura de fendas admissível depende da

agressividade do ambiente e/ou do tipo de utilização da estrutura e da sensibilidade

das armaduras. No que diz respeito à agressividade do ambiente, são destacados três

diferentes tipos de ambientes:

Ambientes pouco agressivos – ambientes onde a humidade relativa é

geralmente baixa e onde os agentes corrosivos são escassos (interior de

edifícios);

Ambientes moderadamente agressivos – correspondem a ambientes interiores

onde a presença de agentes corrosivos seja expectável ou a humidade relativa

seja habitualmente elevada, ambiente exteriores sem concentrações especiais

de agentes corrosivos, ou ainda águas e solos pouco agressivos;

Ambientes muito agressivos – ambientes com presença elevada de agentes

corrosivos, líquidos agressivos (caso de uma ETAR), ou solos especialmente

agressivos.


Em função do tipo de ambiente será então definido a abertura máxima de fendas

admissível. Atingindo este valor máximo especificado, a durabilidade e bom

funcionamento da peça de betão fica em causa.

3. Relação com os sismos – então porquê que os edifícios

caem?

a. Inércia dos blocos de elevadores

É fácil entendermos que os abalos causados pelos sismos vão causar

estragos nos edifícios. Os movimentos horizontais provocados pelas ondas

sísmicas internas S e pelas ondas sísmicas superficiais de Love ao atingirem

um edifício podem provocar as deformações descritas anteriormente. Para

explicar a situação, imaginemos uma situação hipotética de um edifício de

quatro pisos que é atingido por um sismo de elevada intensidade. Por

questões de segurança definiu-se que blocos com elevadores se encontram

no centro da estrutura e que estes últimos são construídos em betão

armando e nunca em alvenaria. Desta forma, caracterizam-se por ser uma

zona mais inerte, ou seja, estes blocos têm tendência a resistir ao abalo

sísmico, suportando o balanço do restante edifício. Este comportamento

torna estas zonas mais sensíveis a deformações caracterizadas pela torção.

Quando os materiais que as constituem não são suficientemente

resistentes a estes movimentos bruscos, então a estabilidade do edifício

fica comprometida e este pode mesmo acabar por cair.

b. Compressão dos pilares

Neste casos, damos atenção às ondas internas P por serem ondas

longitudinais que se caracterizam por comprimir e distender a matéria. Ou

seja, ao nível dos edifícios elas atingem-nos verticalmente e os abalos que

provocam são atenuados pela massa do corpo em questão. No entanto,

pilares com dimensões desfavoráveis ou em condições inadequadas não

resistem à compressão que lhes é imposta. Nestes casos, o edifício pode

entrar em colapso.


c. Tração das estruturas

Aquando um abalo sísmico, se a intensidade da força de inércia for inferior

à intensidade da força sísmica, então o edifício vai abalar de acordo com

essa vibração. Quando a estrutura, nessa resposta, admite uma inclinação

para a direita, nota-se os pilares mais à direita da estrutura sofrem pela

ação da compressão, porque a massa que vão suportar é maior do que

aquela que estavam projetados para aguentar. Pelo contrário, a parte

esquerda do edifício vai sofrer a ação de duas forças contrárias: a força de

inércia (sentido: de cima para baixo) que tende a manter o edifício em

repouso e uma outra força de sentido contrário provocada pela

movimentação do edifício para a direita. Desta forma, a parte esquerda da

estrutura vai ser alongada verticalmente, ou seja, vai ser tracionada.

Quando a resistência dos matérias envolvidos na tração não permite que,

após o abalo, estes regressem à sua forma original, então a estrutura perde

a estabilidade e pode cair.

d. Consequências da fendilhação aquando um sismo

É frequente ocorrerem fendas nas paredes dos edifícios provocadas pela

retração do betão devido à variação de temperatura. Consequências destas

são inevitáveis porque seria economicamente dispendioso impedir estas

reações, como abordamos em tópicos anteriores. Desta forma, se um

edifício apresenta fendas, estas vão ter enorme importância durante a

ocorrência de um sismo, porque a força que é imposta à estrutura

juntamente com a força de inércia que atua em sentido contrário ao da

primeira podem provocar a expansão das fendas associada a movimentos

de tração e torção dos materiais anteriormente danificados. Se a dimensão

das fendas ultrapassar o seu limite de abertura, então o edifício pode entrar

colapso.


Conclusão

A partir da abordagem realizada nas páginas anteriores, conclui-se que erros na

concretização das estruturas ou falta de manutenção das mesmas trazem

consequências que podem chegar mesmo à cada do edifício em questão. À fendilhação

atribui-segurando destaque porque o betão, quando abre fendas, possibilita à

armadura o contacto com o meio ambiente de tal modo que possam ocorrer reações

químicas responsáveis pela degradação do material em questão. Também as

deformações adquirem um papel primordial neste contexto. Corpos que sofrem

deformações exageradas podem comprometer a uniformidade e – por consequência –

a estabilidade de um edifício, como os exemplos apresentados em tópicos anteriores.

Em suma, é de máxima importância o trabalho pormenorizado e calculista antes da

construção de uma determinada estrutura, bem como da sua constante manutenção.

É necessária a constante engenharia em todo esse processo, porque enquanto um

arquiteto procura a beleza, um Engenheiro calcula a essência.

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