SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA E SUA APLICABILIDADE A …

SÍSMICA 2007 – 7º CONGRESSO DE SISMOLOGIA E ENGENHARIA SÍSMICA 1

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SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA E SUA APLICABILIDADE A PORTUGAL

M.J. Falcão Silva Bols. Doutoramento LNEC Lisboa-Portugal

A. Campos Costa Investigador Principal LNEC Lisboa-Portugal

E. Coelho Investigador Principal LNEC Lisboa-Portugal

SUMÁRIO Nos últimos anos tem-se vindo a intensificar a pesquisa no domínio dos sistemas de protecção sísmica na área da engenharia civil, estando esta a ser orientada no sentido da obtenção da melhor resposta das estruturas face à ocorrência de determinadas situações de catástrofe natural. Uma das situações que origina maior número de perdas de vários níveis é a ocorrência de um sismo. A protecção sísmica de estruturas de edifícios pode ser efectuada de várias formas: passiva, activa, híbrida ou semi-activa, sendo a que engloba sistemas passivos a que se encontra até ao momento mais implementada a nível mundial. No entanto tanto os sistemas activos como os sistemas híbridos ou, ainda, os semi-activos, estes últimos aliando as vantagens tanto dos activos como dos passivos, começam a ser adoptados nos mais variados tipos de estruturas e considerando as solicitações mais adversas. Apesar da utilização de sistemas passivos se encontrar generalizada em alguns países do mundo, nomeadamente em zonas de elevada sismicidade, como forma de, entre outras coisas, minimizar e controlar os efeitos dos sismos, em Portugal o estado dos conhecimentos ainda se encontra numa fase embrionária, estando a sua aplicação a estruturas de edifícios correntes pouco implementada, principalmente atendendo ao facto de ainda não haver uma sensibilização adequada ao nível das entidades envolvidas no processo. Com o presente artigo pretende-se fazer um ponto de situação no estado actual dos conhecimentos na área da protecção sísmica a nível mundial e tentar analisar a sua aplicabilidade à realidade portuguesa. A implementação de sistemas de protecção sísmica a estruturas de edifícios em Portugal é certamente uma aposta com futuro por permitir a minimização das consequências directas e indirectas associadas à ocorrência de sismos de magnitude elevada e de na maioria dos casos se obter uma relação custo-benefício vantajosa. 1. INTRODUÇÃO Desde há vários anos que, em regiões de elevada sismicidade, se têm tentado descobrir soluções que permitam que o património construído tenha capacidade para suportar os efeitos adversos das acções sísmicas de intensidade variável. Nas últimas décadas tem-se observado grandes alterações e progressos, tanto no domínio da protecção de estruturas, como na compreensão da resposta das mesmas quando sujeitas a acções sísmicas. De acordo com a metodologia de dimensionamento contemplada na regulamentação em vigor é importante que as estruturas apresentem um comportamento não linear quando sujeitas a acção sísmica. Esta concepção, permite que surjam esforços internos, consideravelmente reduzidos, associados em simultâneo com o aparecimento de grandes deformações inelásticas. Os condicionalismos decorrentes dos critérios de dimensionamento utilizados, como por exemplo a possibilidade de ocorrência de danos significativos e o aumento das exigências relacionadas com a segurança das estruturas, deram origem ao aparecimento de metodologias alternativas ao nível da concepção de estruturas sismicamente


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resistentes. Tais metodologias baseiam-se na utilização de certos dispositivos ou sistemas que, através do seu funcionamento, conferem um maior nível de segurança às estruturas quando sujeitas às acções símicas – Sistemas de Protecção Sísmica. O principal objectivo a atingir com a utilização deste tipo de sistemas, é a diminuição das forças internas nas estruturas, à custa de alterações, ao nível da frequência ou do aumento da capacidade de dissipação de energia do conjunto sistema de protecção+estrutura [1]. 2. SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA Os sistemas de protecção sísmica permitem que as estruturas que os incluem apresentem um nível de segurança mais elevado. De acordo com o seu funcionamento os sistemas de protecção sísmica podem ser divididos em diferentes categorias que se passam a identificar. 2.1. Aspectos gerais dos vários tipos de sistemas de protecção sísmica 2.1.1. Sistemas passivos A protecção passiva consiste, principalmente, em anexar mecanismos às estruturas que permitam a atenuação dos efeitos dos movimentos resultantes das acções exercidas sobre as mesmas e que para isso não necessitem de qualquer forma de interacção ou de meios energéticos externos. O isolamento sísmico é uma forma de protecção passiva baseada na ideia de que é possível eliminar as ligações, no plano horizontal, entre a estrutura e o solo de fundação. Assim o movimento horizontal da estrutura será independente do movimento horizontal do solo, movimento este, que é o principal responsável pelos danos introduzidos nas estruturas em consequência das acções sísmicas. Para além disso, este tipo de sistemas deverá apresentar a capacidade de suporte na direcção vertical, em virtude de as ligações nesta direcção terem que ser inevitavelmente mantidas [1]. Geralmente os sistemas de isolamento sísmico são colocados por baixo das estruturas ao nível das suas fundações, sendo-lhes atribuída neste caso a denominação de isolamento sísmico de base. Por meio da sua flexibilidade e capacidade de absorção de energia, os sistemas de isolamento reflectem e absorvem parcialmente alguma da energia fornecida pelo sismo antes desta energia ser transmitida à estrutura. Embora os conceitos fundamentais do isolamento sísmico tenham vindo a ser estudados desde o século passado, a sua implementação só começou a dar os primeiros passos muito recentemente. Começa a surgir um grande número de estruturas isoladas sismicamente, embora as técnicas de isolamento sísmico ainda não sejam usadas de uma forma muito generalizada na maior parte dos países do mundo. A sua aplicação resume-se principalmente aos Estados Unidos, Japão, Nova Zelândia e a alguns países europeus dos quais se salienta a Itália. Um sistema de isolamento sísmico para além de eficácia, deve apresentar características de fiabilidade, adaptabilidade, boa relação custo-benefício associada a um mínimo de manutenção, para que, de cada vez que ocorra um sismo no período de vida útil da estrutura, o referido sistema possa entrar em acção da melhor forma possível. A selecção de um sistema de isolamento sísmico deverá ser efectuada de acordo com critérios envolvendo, para além da relação custo-benefício, o compromisso entre vários factores, dos quais se salientam o deslocamento ao nível da base e o corte basal bem como a resposta a diferentes frequências. No que refere a sistemas de isolamento sísmico salientam-se a título exemplificativo, os apoios elastoméricos (rubber bearings), os apoios elastómericos com núcleo de chumbo (lead-rubber bearings) e o sistema pendular FPS (Friction Pendulum System). Paralelamente aos sistemas de isolamento sísmico, e também por se tratarem de sistemas passivos, têm vindo a ser desenvolvidos sistemas de dissipação de energia. Estes últimos, não são mais de que dispositivos, especialmente concebidos com o objectivo de dissipar energia, enquanto a estrutura à qual estão associados se deforma. Nos dias de hoje existem diversas propostas de dispositivos deste tipo: mettalic dampers, friction dampers, viscoelastic dampers, viscous fluid dampers, tuned mass dampers, tuned liquid damper e smart materials. O funcionamento de estruturas com protecção sísmica do tipo Sistemas Dissipadores de Energia (SDE) processa-se de acordo com o esquema que se apresenta em seguida:

Figura 1: Estrutura com Sistema Dissipador de Energia (Adaptado de [2])

Excitação Estrutura Resposta

SDE

Excitação Estrutura RespostaExcitação Estrutura Resposta

SDESDE


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Actualmente, os sistemas de isolamento sísmico e dissipadores de energia, constituem os dois exemplos de protecção sísmica com maior implementação ao nível dos vários tipos de estruturas em engenharia civil, embora em certas circunstâncias existe alguma dificuldade em classificar um determinado sistema como isolamento sísmico ou como dissipador de energia. A razão prende-se com facto de mesmo os próprios sistemas de isolamento apresentarem algumas propriedades de dissipação de energia observando-se como tal algumas sobreposições ao nível de comportamento. No entanto quando se refere o uso de dissipadores de energia como sistemas de protecção passiva de estruturas deve-se definir uma solução que só envolva a utilização de tais dispositivos, sem que se estabeleça corte algum de ligações da estrutura com o exterior. Desta forma fica clarificada a diferença entre isolamento sísmico e dispositivos de Dissipação de Energia [1]. Será dado mais ênfase aos Sistemas Dissipadores de Energia na secção 2.2. Os tipos de estruturas em que é mais corrente a utilização de sistemas passivos são aquelas em que se pretende minimizar o risco de danos (estruturais ou não estruturais) devido, principalmente, a exigências de manutenção de serviços em situação de ocorrência de sismo severo (construções de nível prioritário: hospitais, bombeiros...), acautelar aspectos de ordem económica ou, ainda, em situações em que se torne difícil o reforço, como por exemplo, neste último caso, as construções, que por várias razões, apresentam importância histórica para a comunidade. 2.1.2. Sistemas activos Os sistemas de protecção activa são aqueles que, a partir de dados obtidos através da monitorização constante da estrutura, têm a capacidade de reagir contrariando o movimento imposto pela acção sísmica [1]. Os referidos sistemas de protecção baseiam-se na supressão de vibrações introduzidas pelo sismo através da criação de uma força de acção externa que, aplicada à estrutura considerada, permita a modificação desejável ao nível do comportamento dinâmico da mesma [3]. Com um mecanismo de controlo activo adequado, a segurança em serviço de uma estrutura pode ser garantida, durante a aplicação de acções dinâmicas, dentro de determinados limites, previamente estabelecidos [3]. Como resultado de intensos esforços desenvolvidos, principalmente nas últimas duas décadas, a protecção activa de estruturas contra acções intensas, nomeadamente os sismos, tem vindo a ser gradualmente aplicada a estruturas em engenharia civil. O funcionamento de estruturas que tenham incluído algum tipo de sistemas de protecção activa processa-se de acordo com o esquematizado na Figura 2.

Figura 2: Estrutura com Sistema de Protecção Activa (Adaptado de [2]) Em muitas estruturas, sejam elas edifícios correntes ou pontes, os meios activo de protecção tem vindo a substituir os meios puramente passivos anteriormente mencionados [4]. É um facto que no Japão muitos edifícios, incluindo hotéis e complexos de escritórios, já incluem dispositivos de protecção activa para o controlo de vibrações resultantes da acção dinâmica do vento ou dos sismos [5]. Para além disso tem-se observado que a protecção activa tem vindo a despertar grande interesse nos últimos anos e que ao nível das técnicas utilizadas tem-se vindo a observar um rápido progresso tanto na área da investigação como no campo de aplicações práticas. Como exemplo deste rápido desenvolvimento refere-se, a título meramente de curiosidade, que no Japão o número de artigos subordinados a este tema e publicados em Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers – Part C, duplicou nos últimos dez anos. Refere-se ainda que os trabalhos, efectuados e em curso, não se resumem só a puras simulações numéricas, mas também a programas de verificação experimental [4].


Sensores Computador deControlo Sensores

Actuadores deControlo





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Conhecem-se vários tipos de sistemas de protecção activa, dos quais se salientam, por exemplo, os amortecedores activos de massa (Active Mass Dampers - AMD) e os sistemas activos de rigidez ou amortecimento variável (Active Variable Stiffness Dampers – AVSD). A sua aplicabilidade a edifícios foi amplamente estudada, tanto experimental como analiticamente, durante os anos 80. Entre 1989 e 1995 registaram-se mais de vinte aplicações deste tipo de sistemas em edifícios Japoneses [5]. A primeira implementação em escala real de AMDs ocorreu no final da década de 80 no Kyobashi Seiwa Building, um edifício de 11 pisos com uma área em planta de 423m2. Neste caso o sistema de protecção sísmica consistiu num conjunto de dois AMDs, em que o primeiro, com um peso de 4ton, foi usado para movimentos transversais e o segundo, com um peso de 1ton, foi empregue para reduzir o movimento de torção. A função principal deste tipo de sistemas consistiu na redução das vibrações do edifício quando sujeito às acções de ventos fortes e/ou de sismos moderados, e consequentemente aumentar o conforto dos ocupantes do edifício [2]. O controlo do desempenho e da fiabilidade destes amortecedores tem vindo a ser determinados com base em observações efectuadas durante períodos de tempo consideravelmente extensos. A maioria dos sistemas de protecção activa têm sido desenvolvidos apenas para acções intensas do vento e acções sísmicas moderadas, pelo que se torna necessário que se efectuem melhorias para que se consigam abranger as, também importantes, acções sísmicas de maior intensidade. 2.1.3. Sistemas híbridos Um sistema de protecção híbrido é definido como um sistema que engloba uma combinação de dispositivos passivos e activos [2]. Atendendo ao facto de coexistirem em operação diversos dispositivos observa-se uma atenuação das restrições e limitações inerentes a cada um dos dispositivos a funcionar isoladamente. Apesar disso os sistemas de protecção híbridos permitem que se alcancem níveis de desempenho muito mais elevados pelo facto dos actuadores de controlo exercerem a sua acção não só ao nível do dispositivo de protecção mas também ao nível da própria estrutura cujo objectivo é proteger (Figura 3).

Figura 3: Estrutura com Sistema de Protecção Híbrida (Adaptado de [2]]

Adicionalmente verifica-se que a protecção resultante dos sistemas híbridos pode ser mais fiável do que a obtida num sistema puramente activo, ainda que o funcionamento dos sistemas de protecção híbrida seja um pouco mais complexo. A pesquisa efectuada ao nível dos sistemas de protecção permite que se distingam dois tipos diferentes: amortecedores híbridos de massa (Hybrid Mass Damper – HMD) e isolamento de base híbrido (Hybrid Base Isolation). O HMD é dos dispositivos de protecção, com funções de controlo, mais utilizados em aplicações de engenharia civil. Este dispositivo não é mais do que uma combinação de um Tuned Mass Damper – TMD - com um actuador de controlo activo. A capacidade deste dispositivo reduzir a resposta estrutural baseia-se principalmente no movimento natural do TMD. As forças provenientes do actuador de controlo activo são empregues no aumento da eficiência do amortecedor híbrido de massa e, ainda, no aumento da sua robustez relativamente a mudanças operadas ao nível das características dinâmicas da estrutura. A energia e forças necessárias para operar um HMD típico são bastante menores do que aquelas associadas a um amortecedor “completamente” activo de massa que apresente um desempenho do mesmo nível [5]. Como exemplo de aplicação referem-se os três HMD com massa total de 330ton instalados no Shinjuku Park Tower, o maior edifício do Japão em termos de área de piso. Referem-se ainda os dois HMD do tipo pêndulo multi-step, cada um deles com massa de 170 toneladas, que foram desenvolvidos e instalados no edifício mais alto do Japão, o Yokohama Landmark Tower, [6]. Os amortecedores híbridos de massa podem também ser utilizados com eficácia em aplicações de reforço de estruturas [5]. Outra classe de sistemas de protecção híbrida é a que corresponde ao isolamento de base híbrido. À semelhança dos HMDs referidos anteriormente, o isolamento de




SDE




SDE




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base híbrido tem vindo a ser investigado pelos especialistas e pode começar a ser encontrado em sistemas de isolamento de base activo. Consiste na combinação de um sistema de isolamento de base passivo com um actuador de controlo que permite complementar o desempenho de um sistema puramente passivo uma vez que como é sabido os sistemas passivos, em que se incluem os sistemas de isolamento de base, se encontram limitados na sua capacidade de adaptação à mudança de solicitações o que, com a adição de um dispositivo de controlo activo, pode ser alterado e consideravelmente melhorado. Desta forma a adição de dispositivos de controlo activo permite que se possa atingir potencialmente um desempenho bastante superior sem aumento significativo ao nível dos custos. As estratégias de protecção híbrida têm vindo a ser amplamente investigadas nos últimos anos de forma a permitir a exploração do seu potencial ao nível do aumento da fiabilidade e da eficácia das estruturas controladas [7], quando comparadas com dispositivos puramente passivos ou puramente activos. 2.1.4. Sistemas semi-activos Os sistemas de protecção semi-activa pertencem a uma determinada classe de sistemas activos para a qual os requisitos de energia externa são insignificantes. A atenção merecida por este tipo de dispositivos nos últimos anos pode ser atribuída ao facto de apresentarem a grande adaptabilidade dos dispositivos de protecção activa, sem requererem as grandes fontes de energia associadas [5] e, ainda, o de serem bastante fiáveis como os sistemas passivos. As estratégias de controlo baseadas em dispositivos semi-activos surgem como uma forma de combinar as características fundamentais tanto dos sistemas de protecção passivos como dos activos, obtendo-se tecnologias de controlo altamente viáveis para a protecção de sistemas estruturais em engenharia civil contra acções dinâmicas do vento e dos sismos [5].

Figura 4: Estrutura com Sistema de Protecção Semi-Activa. (Adaptado de [2]) Tipicamente um sistema semi-activo não pode adicionar energia mecânica ao sistema estrutural, como tal limitando o “input” e o “output” a estabilidade é garantida e o sistema passa a ser controlado como se tratasse de um sistema passivo. Os sistemas semi-activos necessitam apenas de uma pequena porção de energia externa para operarem e utilizam o movimento gerado na estrutura para desenvolver as forças de controlo [8]. Contrastando com a protecção activa, a protecção semi-activa não potencia a instabilização dos sistemas estruturais. Estudos preliminares indicam que sistemas de protecção semi-activos implementados de uma forma adequada apresentam um desempenho melhor do que sistemas passivos permitindo que se atinja a quase a totalidade do desempenho de sistemas totalmente activos, reduzindo de uma forma eficaz a resposta da estrutura durante a ocorrência de solicitações dinâmicas [5]. Os sistemas de protecção semi-activos foram propostos pela primeira vez durante os anos 20, por meio de absorvedores de choque que utilizavam massas suportadas elasticamente para activar as válvulas hidráulicas do sistema não necessitando de forças externas ou válvulas solenoidais para direccionar o escoamento do fluído dentro do amortecedor [9]. De forma a reduzir a resposta das estruturas face uma determinada acção sísmica, tem vindo a ser implementados alguns sistemas de controlo semi activo, principalmente devido ao facto de serem bastante práticos e permitirem uma melhor percepção e controlo do que efectivamente acontece. Importa não esquecer que alguns sistemas denominados de activos na literatura, como sejam os AVSD, não são mais do que dispositivos de protecção semi-activa [10]. Os dispositivos semi-activos podem ser classificados da seguinte forma: amortecedores de fluído controlável (Controllable Fluid Dampers), amortecedores de fricção controlável (Controllable Friction Dampers) e amortecedores hidráulicos (Hydraulic Dampers). Em relação aos primeiros pode-se referir que se tratam de dispositivos que utilizam materiais electroreológicos ou magnetoreológicos na




SDE




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sua constituiçãos. Estes materiais tem a propriedade de mudar do estado de fluído viscoso com escoamento livre para um estado semi-sólido numa questão de mili-segundos quando exposto a um campo eléctrico ou magnético. Em estudos recentes a eficácia de dispositivos magnetoreológicos (Magnetorheological Dampers – MD) como parte integrante de sistemas de protecção de edifícios face à ocorrência de acções sísmicas tem vindo a ser demonstrada tanto experimental como analiticamente. Os MD não são mais do que dispositivos semi-activos que oferecem uma combinação promissora de características desejáveis, tornando-se numa escolha atractiva para aplicações ao nível da engenharia civil. Além disso são dispositivos que requerem um mínimo de energia, podendo responder rapidamente a mudanças dos dados fornecidos, espera-se que sejam pouco dispendiosos, e são considerados como bastante fiáveis por apresentarem poucas partes móveis. As primeiras investigações experimentais focaram-se na utilização de apenas um amortecedor magnetoreológico no controlo de uma estrutura de vários pisos. No final da década de 90 efectuaram-se testes num MD de 20ton colocado na Universidade de Notre Dame, onde foi possível comprovar que estes dispositivos podem fornecer forças da magnitude esperada para aplicações ao nível do controlo estrutural à escala real [5]. No entanto, e por estes dispositivos serem altamente não lineares, um dos principais desafios na sua aplicação é o desenvolvimento de algoritmos de controlo adequados. Em virtude destas observações foi desenvolvido um algoritmo de controlo optimizado-revisto baseado em registos passados de acelerações para ser usado conjuntamente com este dispositivo. Posteriormente foram efectuadas investigações analíticas que alargaram esta aproximação optimizada ao caso da utilização de amortecedores múltiplos. Os amortecedores de fricção controlada (Controllable Friction Dampers – CFD) utilizam a força gerada pela fricção da superfície para dissipar a energia. Dowdell e Cherry propuseram um amortecedor de fricção com força de escorregamento variável e ainda um amortecedor de fricção “on-off”. Em 1990 [11] foi proposto um sistema de contraventamento por fricção resultante de escorregamento, enquanto que em 1993 [12] foi investigado um sistema de isolamento híbrido – o chamado sistema de fricção por escorregamento controlável – que foi desenvolvido usando apoios de fricção controlável. Foi ainda observado que estes últimos sistemas apresentam uma grande eficácia, para sismos que apresentem uma larga gama de intensidades, comparativamente com situações em que foram aplicadas medidas convencionais de protecção passiva [13]. Finalmente para os amortecedores hidráulicos (Hydraulic Dampers – HD) pode-se dizer que uma das suas partes constituintes é um fluído necessariamente viscoso. Este tipo de amortecedor tem sido amplamente aplicado no isolamento de vibrações de choque em sistemas aeroespaciais ou de defesa. A primeira utilização bem documentada de grandes HDs foi efectuada por militares com o objectivo de reduzir o coice dos canhões. Como vantagens imediatas dos amortecedores de fluído viscoso considera-se a sua eficácia na minimização das forças que actuam ao nível dos pilares dos edifícios bem como a redução dos deslocamentos relativos e das forças de corte que estão em fase com os momentos de encurvadura dos pilares [13]. À semelhança do observado para os sistemas híbridos, as estratégias de protecção semi-activa têm vindo a ser amplamente desenvolvidas e implementadas nos últimos anos. 2.2. Sistemas Dissipadores de Energia Os Sistemas Dissipadores de Energia são, como o próprio nome indica, dispositivos que têm características particulares que lhes permitem dissipar energia, enquanto a estrutura à qual estão associados se vai deformando. Nesta classe de sistemas de protecção sísmica identificam-se os diferentes deste tipo de dispositivos que em seguida se descrevem de uma forma sumária. 2.2.1. Metallic Dampers Um dos mecanismos mais eficientes disponíveis para a dissipação de energia fornecida a uma estrutura durante a ocorrência de uma determinada acção sísmica é através da deformação inelástica de substância metálicas, sendo sobre estes princípios que assenta o funcionamento dos Metallic Dampers. Nas estruturas de aço tradicionais o dimensionamento contra as acções sísmicas assenta sobre a ductilidade de pós-cedência dos membros estruturais de forma a ser obtido o nível de dissipação necessária. No entanto a ideia de utilizar separadamente amortecedores histiréticos dentro das estruturas, que permitam a absorção de uma grande porção da energia sísmica, começou com trabalho conceptual e experimental. Os percursores nesta área foram Kelly [14] e Skinner [15], tendo nos anos que se seguiram às suas verificações preliminares sido efectuados progressos consideráveis no desenvolvimento dos Mettalic Dampers. Como exemplo disso apresenta-se o facto de terem sido propostas


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várias alterações aos dispositivos estudados inicialmente, incluindo os em forma de X (Figura 5 e 6) e os amortecedores de forma triangular. Relativamente aos materiais utilizados na sua concepção também se verificaram evoluções significativas tendo-se observado a utilização de Lead e Shape Memory Alloys neste tipo de sistemas de dissipação de energia. Numerosos programas experimentais foram desde então conduzidos com o objectivo de determinar as características e desempenho dos dispositivos quando isolados ou incluídos em estruturas. Estes dispositivos são amplamente utilizados em todo o mundo; como exemplo disso referem-se o edifício Izazaga de 13 pisos ou o edifício do banco Wells Fargo (São Francisco) em que foram utilizados metallic dampers especiais denominados ADAS (Added Damping And Stiffness) [43]

Figura 4 – Dispositivo do tipo

metallic dampers em forma de x [16] Figura 5 – Colocação de metallic dampers

(em forma de x) numa estrutura [16] 2.2.2. Friction Dampers A dissipação de energia resultante da ocorrência de um sismo pode ser efectuada também por meio de mecanismos de fricção nos chamados Friction Dampers. No funcionamento destes dispositivos considera-se a fricção desenvolvida entre dois corpos sólidos em movimento de escorregamento de um deles relativamente ao outro. Processos deste tipo são frequentes na natureza e tem vindo a ser utilizados nos mais variados sistemas de engenharia. Por exemplo a fricção de sólidos desempenha um papel importante no controlo global do movimento tectónico e da geração sísmica. Numa escala mais reduzida, os princípios de fricção são igualmente usados em travões automatizados como meio dissipador da energia cinética do movimento [17]. Baseado na analogia com os referidos travões, começaram a ser desenvolvidos amortecedores de fricção passivos para melhorar a resposta sísmica de estruturas. O objectivo destes últimos não era mais do que a redução do movimento de um edifício “by braking rather than breaking” [18]. Ao longo das últimas décadas tem vindo a ser observado um progresso considerável ao nível do desenvolvimento e utilização deste tipo de dispositivos em estruturas reais.

Figura 5: Detalhe do metallic damper usado na

Biblioteca McConnell em Montreal [16] Figura 6: Biblioteca McConnell,Montreal [17]

As versões mais modernas destes dispositivos têm vindo a ser implementadas num número considerável de estruturas no Canadá. Como exemplo da aplicação em reabilitação de estruturas refere-se a Biblioteca McConnell na Universidade de Concórdia em Montreal (Figuras 5 e 6) onde foram empregues, ao longo de toda a estrutura, 32 dispositivos do tipo friction dampers. Como exemplos dos dispositivos mais utilizados consideram-se os LSB e os Sumitomo Friction Dampers (SFD), estes últimos amplamente desenvolvidos e aplicados no Japão em estruturas de edifícios com número de pisos variável, e os Energy Dissipating Restraints (EDR) [17].

Contraventamento

Metallic

damper


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2.2.3. Viscoelastic Dampers A primeira aplicação de materiais viscoelásticos no controlo de vibrações pode-se reportar a meados da década de 50 quando foi usada em aviões como forma de controlar vibrações induzidas [17]. A sua generalização a estruturas de engenharia civil teve início em 1969, quando se instalaram cerca de 10000 amortecedores viscoelásticos em cada uma das torres gémeas do World Trade Center em New York como forma de ajudar a resistir à solicitação do vento [17]. A utilização de Viscoelastic Dampers ao nível da engenharia sísmica tem vindo a dar os primeiros passos mais recentemente, sendo necessário garantir um nível de amortecimento mais elevado do que o observado para a mitigação das vibrações induzidas pelo vento. Tem vindo a ser desenvolvidos extensos estudos analíticos bem como verificações experimentais no domínio da engenharia sísmica que levaram, por exemplo, à sua utilização como elemento de reforço em edifícios existentes nos Estados Unidos (Figuras 7 e 8) durante a década de 90 [17].

Figura 7: Edifício Columbia SeaFirst,

Seattle [19] Figura 8: Detalhes dos viscoelastic dampers usados no

Edifício Columbia SeaFirst, Seattle [17] 2.2.4. Viscous Fluid Dampers Existem determinados fluidos de características viscosas que, pelas suas características, podem ser utilizados em dispositivos de protecção passiva. De facto a utilização de Viscous Fluid Dampers na mitigação dos efeitos das acções sísmicas já se encontra bastante generalizada [20], tendo-se vindo a efectuar um esforço significativo nos últimos anos com o objectivo de desenvolver os referidos dispositivos para aplicações estruturais, nomeadamente na mitigação das vibrações induzidas por sismos em vários tipos de estruturas de militares, industriais ou de edifícios. É ainda de referir que se tem verificado um número considerável de implementações de Viscous Fluid Dampers em conjunto com vários tipos de sistemas de isolamento. Mais recentemente a aplicação à escala real de dispositivos Taylor do tipo Viscous Fluid Dampers foi desenvolvida e implementada com sucesso em estruturas de engenharia civil como forma de minimizar as vibrações do vento e das acções sísmicas. Até meados da década de 90 o número de aplicações deste tipo de dispositivos já atingia um número considerável com tendência para aumentar. Este tipo de dispositivos também tem vindo a ser utilizados em edifícios de alvenaria de interesse histórico, como é o caso do Woodland Hotel na California, uma estrutura de 4 pisos em alvenaria datada dos anos 20 (Figuras 9 e 10). Na sua reabilitação, que ficou concluída em 1995, foram utilizados 16 Viscous Fluid Dampers de 450kN Mais recentemente estes dispositivos tem vindo a ser generalizados a outras zonas do mundo para além dos Estados Unidos, como seja o Japão onde já se registam aplicações a edifícios com mais de 10 pisos.


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Figura 9: Perspectiva do Hotel Woodland, California [21]

Figura 10: Detalhe dos viscous fluid dampers usados no Hotel Woodland, Califórnia [21]

2.2.5. Tuned Mass Dampers O objectivo de incorporar Tuned Mass Dampers (TMD) em determinadas estruturas é basicamente o mesmo do que o que se encontra associado a qualquer dos outros mecanismos dissipadores de energia previamente considerados: a redução da energia ao nível dos elementos estruturais primários aquando da acção de forças externas resultantes das mais variadas solicitações (vento ou sismo). A redução de energia é acompanhada pela transferência de alguma da energia vibracional para o próprio TMD, que na sua forma mais simples consiste num sistema auxiliar massa-mola-amortecedor anexado à estrutura principal. Os conceitos modernos subjacentes aos TMD para aplicações estruturais, nomeadamente em edifícios, têm as suas raízes nos absorvedores de vibrações dinâmicas estudados em 1909 por Frahm [22]. Desde a colocação de TMDs na torre Centerpoint na Austrália com o objectivo de reduzir as vibrações induzidas pelo vento, que o número e variedade de dispositivos TMDs instalados em edifícios, pontes e torres tem vindo a crescer não só para fazer face a acções do vento mas também com o intuito de minimizar os efeitos de acções sísmicas gravosas [17]. Nas Figuras 11 a 13 é apresentado o edifício de 101 pisos (Taipe) em que se incluíram soluções com recurso à utilização de TMDs para mitigação de acções dinâmicas, o esquema de colocação do TMD e o TMD aplicado, respectivamente. É importante referir que os TMDs são dispositivos cujo estudo e implementação se encontra em franco desenvolvimento um pouco por todo o mundo.

Figura 11: Edifício de 101 pisos, Taipe [23]

Figura 12: Esquema da colocação do TMD no edifício

de 101 pisos [23]

Figura 13: Detalhe do TMD colocado no edifício de 101 pisos, Taipe [23]

2.2.6. Tuned Liquid Dampers Nos TLDs um determinado líquido (normalmente a água) é usado para fornecer todas as características necessárias ao sistema secundário (o que nos TMDs era feito pela massa). A ideia de aplicar TLDs como forma de controlar as vibrações em estruturas de engenharia civil começou em meados da década de 80 [17]. Bauer em [24] sugeriu a utilização de recipientes rectangulares completamente preenchidos com dois fluídos imiscíveis


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para que a resposta seja amortecida através do movimento do interface entre fluídos. No final da década de 80 Welt e Modi [25] foram dos primeiros a sugerir e optimizar a introdução de TLDs em edifícios como forma de reduzir a resposta durante a ocorrência de ventos fortes e acções sísmicas gravosas [17]. Aparentemente as primeiras aplicações a estruturas em engenharia civil tiveram lugar no Japão. Nos exemplos de estruturas com TLD incorporados para protecção e controlo incluem-se a torre do aeroporto de Nagasaki (1987), o hotel Prince Shin-Yokohama (1992), as torres de controlo aéreo do aeroporto de Tóquio (1993) ou a torre da Marina de Yokohama (1995). Nas figuras seguintes apresentam-se exemplos de TLDs implementados no Japão no Hotel Shin-Yokohama e ensaiados nas instalações do LNEC no âmbito de uma tese de doutoramento.

Figura 14: TLDs instalados no Hotel Shin-

Yokohama Prince [17] Figura 15: Protótipo de TLD ensaiado no LNEC

2.2.7. Smart Materials Este tipo de materiais pode ser incorporado em elementos estruturais ou componentes de sistemas como sensores embebidos ou mesmo como elementos actuadores capazes de alterar o comportamento estrutural em resposta a estímulos externos de intensidade considerável. Dado que alguns destes materiais fornecem alternativas bastante atractivas como forma de dissipação de energia em sistemas estruturais, podem ser considerados como membros potenciais de uma família não convencional de dispositivos dissipadores de energia [17]. No universo dos Smart Materials os que tem sido mais utilizados como dispositivos de protecção são os Shape Memory Alloys (SMA), Piezoelectric Elements, Electrorheological e Magnetorheological Fluids. Apesar de serem de entre os dissipadores de energia aqueles que apresentam menos estudos analíticos e/ou experimentais, tem vindo nos últimos anos a apresentar um grande desenvolvimento não só a nível da investigação mas também a nível de implementações práticas. Como exemplo recente, e tendo como objectivo o estudo da eficácia de técnicas de controlo passivo com recurso a SMA refere-se o projecto europeu ECOEST II no qual o LNEC esteve directamente envolvido, tendo o seu bom funcionamento e aplicabilidade sido comprovado [26]. 3. APLICAÇÃO DE SISTEMAS DE PROTECÇÃO SÍSMICA A PORTUGAL No dimensionamento sísmico de estruturas um dos principais objectivos é a protecção de vidas humanas. Em Portugal, tal como em outros países de sismicidade considerável a questão do dimensionamento sísmico toma um papel muito importante. Embora em algumas situações a indústria aliada a instituições de investigação venha a desenvolver soluções/estudos que visem a protecção sísmica de estruturas o conhecimento e implementação em edifícios correntes de soluções viáveis e economicamente apelativas ainda é praticamente inexistente na realidade portuguesa. De há uns anos a esta parte tem vindo a ser usadas em obras de arte (pontes e viadutos) soluções de protecção e mitigação de vibrações estrututrais dos vários tipos mencionados em 2. De facto na engenharia de pontes o recurso a sistemas de protecção sísmica não é novidade, sendo cada vez mais utilizadas soluções baratas e de fácil manutenção em que se incluem por exemplo os anteriormente referidos TMDs. Caminha-se no entanto no sentido de arranjar soluções em que a relação custo-benefício seja ainda melhor. Relativamente a estruturas de edifícios até há bem pouco tempo não havia qualquer registo em Portugal de estruturas que incluissem na sua constituição sistemas de protecção sísmica que permitissem a mitigação das


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acções dinâmicas resultantes da ocorrência de um sismo. De facto, a implementação em estruturas correntes de qualquer dos tipos de sistemas mencionados em 2 ainda apresenta uma relação custo-benefício pouco atractiva, apesar de Portugal ser um país sismicamente activo, sendo disso exemplos os sismos de 1755, 1909, 1969 e mais recentemente os dos Açores da década de 80 e de 1998. No entanto, há estruturas que em situação de ocorrência de uma catástrofe sísmica se pretende que mantenham a operacionalidade, como é o caso dos hospitais e outros edifícios de emergência (polícia, bombeiros, protecção civil...) e de importância governativa. Nestes casos uma das soluções mais eficientes é o isolamento sísmico, já utilizado um pouco por todo o mundo. Em Portugal o registo da primeira utilização de isolamento sísmico de base é recente, correspondendo ao Hospital da Luz [27]. Este hospital, concluído em 2006, compreende duas estruturas independentes, uma corresponde ao hospital e a outra a uma residência para idosos. Os dois edifícios apresentam detalhes arquitecturais e estruturais que os distinguem, permitindo o isolamento independente. Na figura que se segue apresenta-se uma perspectiva geral do Hospital da Luz [27].

Figura 16: Hospital de Luz e residência de idosos [27]

Relativamente aos restantes sistemas de protecção sísmica não existem, como já foi referido, registos de quaisquer estruturas em Portugal. 4. CONCLUSÕES Tendo em conta as características do território português a nível da acção e risco sísmico é possível concluir que a implementação de sistemas de protecção sísmica a estruturas de edifícios em Portugal é seguramente uma aposta com futuro por permitir a minimização das consequências directas e indirectas associadas à ocorrência de sismos de magnitude elevada e de, na maioria dos casos, poder ser obtida uma relação custo-benefício vantajosa. É importante não esquecer o papel que devem ter as intituições de investigação conjuntamente com os produtores de soluções novas ou existentes no sentido de validar e optimizar os processos produtivos dos sistemas de protecção sísmica. Refere-se ainda que em Portugal já se encontram em curso alguns programas de investigação na área da protecção sísmica, nomeadamente ao nível dos TMDs e TLDs, esperando-se que atrás deles outros se desenvolvam no sentido de colocar Portugal numa posição mais destacada no que respeita à utilização deste tipo de soluções em estruturas correntes e especiais Para além disso, e desde que devidamente sensibilizadas para esta problemática, as entidades governativas e envolvidas no processo construtivo, bem como os utilizadores finais das estruturas serão com toda a certeza importantes intervenientes na implementação e generalização destas soluções num futuro não muito distante. Espera-se, com recurso à utilização de sistemas de protecção sísmica semelhantes aos descritos em 2, reduzir o risco sísmico associado às construções portuguesas existentes. 5. AGRADECIMENTOS O trabalho de pesquisa apresentado foi efectuado no âmbito de uma tese de doutoramento financiada pela FCT. Agradecem-se ainda os dados fornecidos pelo Prof. Luís Guerreiro nomeadamente no que refere à protecção sísmica em Portugal.


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