Estimativa do Impacto no Projeto de Edificações da...

ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 - 48CBC0013 1

Estimativa do Impacto no Projeto de Edificações da Proposta de Norma Brasileira de Sismos

Evaluation of the Impact in the Design of Buildings of the Proposed Brazilian Seismic Standard

Sergio Hampshire de Carvalho Santos (1); Silvio de Souza Lima (2)

(1) Professor Adjunto, Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro (2) Professor Adjunto, Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro

Centro de Tecnologia, Bloco D, Sala D205, Ilha do Fundão, RJ, RJ, CEP: 21945-970 Resumo

A elaboração da primeira Norma Brasileira de Sismos se alinha com a necessidade da modernização das Normas Brasileiras de projeto estrutural, possibilitando que estas Normas encontrem um maior reconhecimento internacional. Ela também vem responder a uma realidade tecnológica inconteste, que é a de que os efeitos sísmicos nas estruturas não podem ser desconsiderados no Brasil. Apesar da maior parte do nosso território encontrar-se em região de baixa sismicidade, em algumas áreas do Brasil se evidencia um potencial sísmico considerável. A proposta de Norma se baseia nos dados sismológicos disponíveis e no tratamento estatístico e probabilístico destes dados. É natural que exista, dentro de nossa comunidade técnica, uma reação com relação aos impactos decorrentes da aplicação de novos procedimentos de cálculo e do eventual aumento no custo das construções. A extensão destes impactos é discutida neste trabalho, a partir de análises comparativas dos efeitos dos sismos com os de vento em edifícios. São estudados edifícios em várias cidades do Brasil, com diferentes relações entre as solicitações de vento e sismo e para várias condições de solo, assim como para diversas relações entre área exposta ao vento/ massas por andar dos edifícios. Os diversos exemplos são analisados através de procedimento automático para análise sísmica disponível no sistema SALT - UFRJ. Uma estimativa dos possíveis impactos devidos ao efeito dos sismos é desenvolvida, a partir destas análises. Palavra-Chave: análise sísmica, normalização, estruturas de concreto

Abstract

The elaboration of the first Brazilian Seismic Standard is aligned with the necessity of the modernization of the Brazilian standards for the structural design, allowing them to find a greater international reputation. It will also answer to an indisputable technological reality, that the seismic effects in the structures cannot be disregarded in Brazil. Although most of the Brazilian territory is located in a region of low seismicity, in some of the Brazilian areas a non negligible seismic potential is evident. The proposed Standard is based on the seismological data now available and on the statistical and probabilistic treatment of these data. It is to be expected a reaction in our technical community, concerned with impacts related to the application of new design procedures and to the eventual increase in the construction costs. The extension of this impact is discussed in this paper, from the results of comparative analyses of the seismic and wind effects in buildings. Buildings in several Brazilian cities are studied, with different relationships between seismic and wind actions, for several soil conditions, as well as for several relationships between wind exposed area/ floor masses in the buildings. The several examples are analyzed using the automatic procedures for the seismic analysis available in the System SALT-UFRJ. An evaluation of the possible impacts due to the seismic effects is developed, from these analyses. Keywords: seismic analysis, standardization, concrete structures


1 Introdução Com a necessidade premente da modernização das Normas Brasileiras de projeto estrutural, a nossa comunidade técnica depara-se com o desafio da elaboração da primeira Norma Brasileira de projeto sísmico de estruturas. A elaboração deste documento se alinha com a necessidade de que nossas Normas continuem a evoluir no sentido de um maior reconhecimento internacional e também vem responder a uma realidade tecnológica inconteste, que é a de que os efeitos sísmicos nas estruturas não podem ser desconsiderados no Brasil. A proposta da ABNT (2006) de Norma Brasileira de Sismos considera que a maior parte do território brasileiro encontra-se em região de baixa sismicidade, mas também que em algumas áreas do Brasil se evidencia um potencial sísmico considerável. A formulação desta proposta de Norma se baseou nos dados sismológicos hoje disponíveis e no tratamento estatístico e probabilístico destes dados. É natural que exista, dentro de nossa comunidade técnica, uma preocupação com relação aos impactos que esta nova normalização trará, do ponto de vista dos procedimentos de cálculo e do custo das construções. Este trabalho pretende oferecer uma contribuição para esta discussão, através dos resultados de algumas análises comparativas dos efeitos dos sismos com os de vento em edifícios. As análises se desenvolvem para edifícios em várias cidades do Brasil, com diferentes relações entre as solicitações básicas de vento e sismo; para várias condições de solo, que condicionam a resposta ao sismo; e para várias relações entre área exposta ao vento/ massas por andar dos edifícios, que também condicionam as respostas relativas para vento e sismo. Os diversos exemplos são analisados através de procedimento automático para análise sísmica disponível no SALT – UFRJ (2005), Sistema de Análise de Estruturas, desenvolvido na Escola Politécnica da UFRJ. 2 Sismicidade do Brasil O território Brasileiro apresenta baixa sismicidade, típica de uma região intra-placas tectônicas. O estudo da sismicidade no Brasil, com base científica, começou nos anos 70. Desde esta década, dados sismológicos começaram a ser coletados, a partir de uma importante rede sismológica que foi implantada e que está no momento em operação contínua. Um estudo completo da sismicidade no território brasileiro não foi, no entanto, ainda concluído. Um estudo de risco sísmico, a nível mundial, foi realizado pelo GFZ-POTSDAM (1999), e está apresentado em seu "Global Seismic Hazard Map". Este estudo é considerado pelo U.S. Geological Survey (2006) no “Seismic Hazard Map of South America", que é reproduzido na Figura 1. Pode ser visto neste mapa, que o território brasileiro apresenta uma sismicidade muito baixa, com acelerações horizontais características normalmente inferiores a 0,4 m/s2. Exceções a serem observadas são alguns estados do Nordeste, devido a sua posição com relação à falha do Atlântico Central, e a parte oeste das Regiões Norte e Centro-Oeste, devido à sua proximidade com a Cordilheira dos Andes.


Figura 1 – Sismicidade da América do Sul de acordo com o USGS (2006)


Um estudo recente de FALCONI (2003) analisou normas de projeto de seis países sul-americanos (o Brasil não está incluído neste estudo). A partir desta análise, SANTOS e SOUZA LIMA (2004), considerando inclusive a continuidade geográfica dos países vizinhos, consolidaram um mapa de sismicidade da América do Sul, reproduzido na Figura 2. As acelerações deste mapa correspondem a um período de recorrência de 475 anos (ou seja, à probabilidade de 10% de ultrapassagem em 50 anos). 3 Aspectos da Norma Brasileira de Sismos 3.1 Aspectos Sismológicos Considerando o exposto, a ABNT (2006) propõe o zoneamento sísmico para o Brasil apresentado na Figura 3. Nesta proposta foram também consideradas as análises probabilísticas de ALMEIDA (2002) e de SANTOS e SOUZA LIMA (2004), assim como outras análises ainda não publicadas para a Região Nordeste. Estes estudos respaldam os valores propostos na Norma de Sismos para a Região Sudeste, estimando nesta região, para o período de recorrência TM de 475 anos, uma aceleração característica de: ag = 0,0107 g's 3.2 Bases Normativas Considera-se como base normativa fundamental a NBR 8681, Norma Brasileira de Ações e Segurança nas Estruturas, da ABNT (2003). Nos aspectos relativos à resistência sísmica, foi tomada como base a norma ASCE/SEI 7-05 (2005). A combinação básica de cálculo, segundo a NBR 8681 é dada por:

excqgd E0,1E0,1E2,1E ++= (Equação 1) Nesta equação, Ed, Eg, Eq e Eexc são, respectivamente, o valor numérico de uma determinada solicitação de cálculo e as parcelas respectivamente devidas às cargas permanente, acidental e sísmica nesta solicitação.

3.3 Zoneamento Sísmico e Categorias Sísmicas A Norma estabelece, conforme a Tabela 1 a seguir, cinco Zonas Sísmicas e três Categorias Sísmicas para as estruturas, estando estas correlacionadas com os valores das acelerações horizontais características ag definidas na Figura 3. Tabela 1 - Zoneamento Sísmico e Categorias Sísmicas

Zona Sísmica Categoria Sísmica Valores de ag

0 ag = 0,025g 1

A 0,025g ≤ ag ≤ 0,05g

2 B 0,05g ≤ ag ≤ 0,10g 3 0,10g ≤ ag ≤ 0,15g 4

C ag = 0,15g


Figura 2 – Sismicidade da América do Sul


Figura 3 – Zoneamento sísmico para o Brasil


3.4 Critérios para a Análise Sísmica Para as estruturas de Categoria Sísmica A, na Zona Sísmica 0, nenhuma verificação quanto à resistência sísmica é exigida. Para as estruturas em Zona Sísmica 1, uma verificação simplificada é admitida. O sismo é considerado pela consideração da aplicação simultânea a todos os pisos, em cada uma das direções ortogonais, de cargas horizontais iguais a 1% dos pesos permanentes nos pisos. Para as estruturas de Categoria Sísmica B ou C, é permitida a análise sísmica por um processo aproximado, o das forças horizontal equivalentes, aqui descrito brevemente, ou por um processo mais rigoroso, como a análise espectral ou análise por históricos de aceleração no tempo. 3.5 Análise pelo Método das Forças Horizontais Equivalentes Na aplicação do método das forças horizontais equivalentes, avalia-se a força horizontal total na base da estrutura, de acordo com a expressão:

(Equação 2) W.CH s=

Nesta equação, Cs é o coeficiente de resposta sísmica, definido a seguir, W é o peso total da estrutura, correspondente às cargas permanentes, e g é a aceleração da gravidade. O coeficiente de resposta sísmica é definido como:

)I/R()g/a(.5,2

C 0gss = (Equação 3)

O coeficiente de resposta sísmica não precisa ser maior que o valor:

)I/R(T)g/(a

C 1gss = (Equação 4)

As grandezas ags0 e ags1, acelerações espectrais para os períodos de 0,0s e 1,0s, já considerando o efeito da amplificação sísmica no solo, são definidas como:

(Equação 5) gags0 a.Ca =

(Equação 6) gvgs1 a.Ca = Nestas equações, ag é a aceleração horizontal característica, conforme definido na Figura 3, e os coeficientes Cv e Ca, de amplificação sísmica no solo são definidos na Tabela 2, em função do perfil do subsolo local e da aceleração característica de projeto ag.


Tabela 2 - Fatores de Amplificação Sísmica no Solo

Ca CvClasse do terreno Designação da Classe do Terreno ag ≤ 0,10g ag = 0,15g ag ≤ 0,10g ag = 0,15g

A Rocha sã 0,8 0,8 0,8 0,8 B Rocha 1,0 1,0 1,0 1,0 C Rocha alterada ou

solo muito rígido 1,2 1,2 1,7 1,7

D Solo rígido 1,6 1,5 2,4 2,2 E Solo mole 2,5 2,1 3,5 3,4

Para valores de 0,10g ≤ ag ≤ 0,15g os valores de Ca e Cv podem ser obtidos por interpolação linear. Para aplicação nas equações 3 e 4, o período natural da estrutura (T) pode ser obtido pela expressão aproximada abaixo, em função da altura total hn do edifício:

xnT h.CT = (Equação 7)

Nos exemplos que serão apresentados, os coeficientes desta equação são CT = 0,0466 e x = 0,9 (caso em que as forças sísmicas são 100% resistidas por pórticos de concreto). O parâmetro I é o fator de importância de utilização; para as edificações usuais I = 1,0. O parâmetro R é o coeficiente de modificação de resposta, que considera a capacidade de deformação inelástica da estrutura no regime não linear. Nos exemplos, se considera R=3 (aplicável a sistemas resistentes a forças horizontais constituídos de pórticos de concreto armado detalhados de forma usual). O valor mínimo que pode ser considerado para Cs é igual a Cs = 0,01. A força horizontal total na base H é distribuída verticalmente entre as várias elevações da estrutura de forma que, em cada elevação x, seja aplicada força Fx :

H.CF vxx = (Equação 8) Cvx é o coeficiente de distribuição vertical dado por:

ki

n

1ii

kxx

vx

hw

h wC∑=

= (Equação 9)

onde wi e wx são as parcelas do peso efetivo total que correspondem às elevações i ou x; hi e hx são as alturas entre a base e as elevações i ou x; k é o expoente de distribuição:

― para estruturas com período próprio inferior a 0,5 s, k = 1; ― para estruturas com períodos próprios entre 0,5 s e 2,5 s, k = (T + 1,5)/2; ― para estruturas com período próprio superior a 2,5 s, k = 2.


3 Estudo Comparativo entre Vento e Sismo Um estudo comparativo é aqui apresentado, com a avaliação dos efeitos globais de forças sísmicas e de vento, em prédios de diversas alturas (com número de pavimentos variando entre 1 e 50), localizados em diversas cidades no Brasil. São analisadas duas situações extremas (Edifícios Tipo A e B, conforme mostrado na Figura 4) para as relações entre área exposta ao vento/ massas por andar dos edifícios e diversas condições do solo. Os pés-direitos de cada pavimento são iguais a 3m. Os dados considerados foram:

Edifício Tipo A Dimensões em planta: 12m x 20m Carga por metro quadrado: 8 kPa

Edifício Tipo B Dimensões em planta: 20m x 20m Carga por metro quadrado: 12 kPa As cargas de vento consideradas estão de acordo com a NBR-6123 (1988), com fatores S1 e S3 (topográfico e probabilístico) tomados iguais a 1,00.

Tabela 3 – Cidades analisadas no estudo comparativo Cidade Velocidade característica

do vento (Vk) – m/s Acelerações sísmicas características ag (g’s)

Rio Branco 30,0 0,10 Porto Velho 30,0 0,01

Corumbá 40,0 0,01

Edifício Tipo A Edifício Tipo B Figura 4 – Esquema em planta dos prédios analisados Os processamentos são realizados com o sistema SALT-UFRJ (2005). Os resultados obtidos são apresentados nas Figuras 5 a 16: forças horizontais e momentos fletores totais nas bases dos prédios para as diversas situações analisadas. Nestes exemplos, somente em Rio Branco (localizada na Zona Sísmica 3, com resultados apresentados para as Classes de Terreno A a E), se verifica que as forças cortantes e momentos fletores globais de sismo são claramente superiores aos de vento; também em Porto Velho, em algumas situações, os efeitos do sismo podem suplantar os efeitos do vento.


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Figura 5 – Cidade de Corumbá – Edifício “A” - Comparação entre esforços cortantes globais

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0 10 20 30 40 50NÚMERO DE PAVIMENTOS (N)

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Figura 6 – Cidade de Corumbá – Edifício “A” - Comparação entre momentos fletores globais


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Figura 7 – Cidade de Corumbá – Edifício “B” - Comparação entre esforços cortantes globais

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EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS

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Figura 8 – Cidade de Corumbá – Edifício “B” - Comparação entre momentos fletores globais


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Figura 9 – Cidade de Porto Velho – Edifício “A” - Comparação entre esforços cortantes globais

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Figura 10 – Cidade de Porto Velho – Edifício “A” - Comparação entre momentos fletores globais


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Figura 11 – Cidade de Porto Velho – Edifício “B” - Comparação entre esforços cortantes globais

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Figura 12 – Cidade de Porto Velho – Edifício “B” - Comparação entre momentos fletores globais


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VENTOSISMO-ASISMO-BSISMO-CSISMO-DSISMO-E

Figura 13 – Cidade de Rio Branco – Edifício “A” - Comparação entre esforços cortantes globais

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Figura 14 – Cidade de Rio Branco – Edifício “A” - Comparação entre momentos fletores globais


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NÚMERO DE PAVIMENTOS (N) EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS

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Figura 15 – Cidade de Rio Branco – Edifício “B” - Comparação entre esforços cortantes globais

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VENTO

SISMO-A

SISMO-B

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Figura 16 – Cidade de Rio Branco – Edifício “B” - Comparação entre momentos fletores globais


5 Conclusões Neste trabalho foi apresentado um resumo da nova Norma Brasileira de Sismos que está sendo proposta pela ABNT. Foram apresentados os aspectos sismológicos e normativos que servem como base a esta Norma. Foi apresentado um estudo comparativo entre os efeitos de vento e de sismo para diversas cidades do Brasil. Foi mostrado que em algumas situações nas Zonas Sísmicas 1, 2, 3 e 4, os efeitos das forças sísmicas poderão ser mais críticos do que os efeitos devidos ao vento. 6 Referências ALMEIDA, A. A. D.. Análise Probabilística de Segurança Sísmica de Sistemas e Componentes Estruturais. Tese de Doutorado. PUC/Rio de Janeiro, 2002. AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEEERS (ASCE). ASCE/SEI 7-05 – Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. United States, 2005. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6123 – Forças devidas ao vento em Estruturas. Rio de Janeiro, 1988. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Projeto 02:122.15-001 - Projeto de estruturas resistentes a sismos - Procedimento. Rio de Janeiro, 2006 (em elaboração). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 8681 – Ações e Segurança nas Estruturas - Procedimento. Rio de Janeiro, 2003. FALCONI R. A.. Espectros Sísmicos de Riesgo Uniforme para Verificar Desempeño Estructural en Países Latinoamericanos. XI Seminario Iberoamericano de Ingeniería Sísmica, Mendoza, Argentina, 2003. GEOFORSCHUNGSZENTRUM-POTSDAM. Global Seismic Hazard Map. In: www.gfz-potsdam.de/pb5/pb53/projects/en/gshap/menue_gshap_e.html (1999). SALT-UFRJ. Sistema de Análise de Estruturas - Manual do Usuário. Serviço de Publicação da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005. SANTOS, S. H. C.; SOUZA LIMA, S. Estudo da Zonificação Sísmica Brasileira Integrada em um Contexto Sul-Americano. XVIII Jornadas Argentinas de Ingeniería Estructural, Buenos Aires, 2004. UNITED STATES GEOLOGICAL SURVEY (USGS). Seismic Hazard Map of South America. In: http://earthquake.usgs.gov/research/hazmaps/index.php (2006).

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