A Borracha na Concepção Anti-sísmica

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1 Novos Materiais A Borracha na Concepção Anti-sísmica Luís Guerreiro FEUP, 17 de Dezembro de 2003

2 ÍNDICE 1. Introdução Propriedades mecânicas dos elastómeros Rigidez Vertical Rigidez Horizontal Rigidez à Rotação Propriedades Dinâmicas dos Elastómeros Isolamento de Base O conceito de Isolamento de Base Principais Vantagens e Inconvenientes Evolução dos Sistemas de Isolamento de Base Tipos de Sistemas de Isolamento de Base Análise Sísmica de Estruturas com Isolamento de Base Exemplos de aplicação de isolamento de base Bibliografia...27 ii

3 1. Introdução Na linguagem corrente o termo BORRACHA é utilizado para designar um vasto conjunto de materiais que abrange desde produtos naturais até produtos manufacturados. Na sua origem o termo designava somente o produto natural, mas com o aparecimento de produtos sintéticos substitutos da borracha natural, esta palavra passou a ser utilizada também na designação destes produtos artificiais. Mais correcto, e também mais abrangente, será utilizar a designação ELASTÓMERO. Define-se como Elastómero um material com comportamento semelhante à borracha ou seja, baixa fluência plástica, grande extensibilidade, e capacidade de recuperar rapidamente a forma original após estar sujeito a grandes deformações. Os elastómeros são polímeros, isto é, materiais compostos por grandes cadeias moleculares (macro-moléculas). A borracha chega à Europa trazida por Cristóvão Colombo, no regresso da sua viagem às Índias Ocidentais. As bolas de borracha introduzidas em Espanha por volta de 1496 encantaram com a sua capacidade elástica. Segundo comentários da época, não havia no mundo nada que saltasse como as bolas de borracha trazidas das novas Índias. Durante séculos não apareceu nenhuma aplicação importante para este tipo de material. Só no século XIX, com a descoberta da vulcanização por Charles Goodyear (1841), se conseguiu conferir à borracha propriedades que tornaram possível a sua aplicação em diversos campos. A vulcanização é a operação através da qual são criadas ligações entre as macro-moléculas de um elastómero. Desta forma o elastómero, que à partida se apresenta como uma massa fraca, muito plástica e sem propriedades mecânicas de interesse, é transformado num produto forte, resistente e com boas características elásticas. Na descoberta desta técnica, Goodyear aplicou-a à borracha natural, utilizando como agente de vulcanização o enxofre. carga, lb borracha vulcanizada borracha não vulcanizada deformação % Figura 1 Efeito da vulcanização da borracha (adaptado de Billmeyer, 1971). A invenção do pneu de borracha por John Dunlop, em 1888, veio trazer um grande impulso à utilização da borracha. O aumento da procura deste material levou à necessidade de ampliar as zonas de produção da matéria prima. Até ao final do século XIX a borracha só era produzida na América do Sul, zona de onde a planta que produz a borracha (Hevea Brasiliensis) é originária. No início do século XX, os britânicos levaram a árvore da borracha para o Ceilão, Singapura e Malásia. A 1

4 operação correu com sucesso e, actualmente, estes países são produtores de borracha, com especial destaque para a Malásia. A primeira aplicação da borracha como elemento estrutural ocorreu em 1957, quando foram utilizados numa ponte blocos de apoio de borracha reforçados com lâminas de aço. Esta solução de apoio foi tornada vulgar e actualmente são inúmeros os exemplos de pontes com aparelhos de apoio deste tipo. Na década de 1980 surgiu uma novo forma de aplicação para a borracha no campo da engenharia de estruturas, o isolamento de base. Este conceito insere-se num esquema de protecção sísmica das estruturas e será abordado com maior pormenor nos capítulos seguintes. A partir de meados do século XX começaram a ser desenvolvidos compostos sintéticos com comportamento semelhante à borracha natural. Estes compostos são obtidos essencialmente a partir de derivados do petróleo ou do gás natural. Borracha natural Latex de borracha natural Hevea Brasiliensis Borracha sintética Produtos derivados do petróleo Produtos derivados do gás natural Figura 2 Matérias primas para a produção de elastómeros. A produção da borracha natural começa com a recolha do latex. Para recolher este produto é realizado um corte na casca das árvores através do qual o líquido escorre para uma vasilha. O latex é uma dispersão de partículas de borracha em água. Para obter a borracha em bruto é necessário deixar o latex secar e coagular. Após a fase de coagulação, a massa obtida é trabalhada mecanicamente (mastigação) por forma a obter uma pasta uniforme e muito plástica. Neste estágio são adicionados produtos (aditivos) cujo objectivo é conferir determinadas características ao elastómero que se pretende produzir. Esta pasta é vertida nos moldes sendo posteriormente vulcanizada. Na produção de elastómeros sintéticos, após a fase de polimerização que dá origem à borracha em bruto, todas as fases do processo de produção são semelhantes às descritas para a borracha natural. 2

5 Matérias primas para borrachas sintéticas (derivados do petróleo na maioria dos casos) Polimerização Borracha em bruto Latex de borracha natural Coagulação Mastigação Composto não vulcanizado Moldagem Composição Aditivos: Agente de vulcanização Acelerador Activador Anti-oxidante Anti-ozonante Aditivos para reforço Aditivos inertes Pigmento Plastificante. Vulcanização ELASTÓMERO Figura 3 Esquema de produção de Elastómeros. Os aditivos são produtos que melhoram as propriedades mecânicas do elastómero como a rigidez, a resistência à tracção, a resistência à rasgadura ou a resistência à abrasão. Sem a utilização destes aditivos não seria possível a utilização de elastómeros em pneus, por exemplo. O negro de fumo (carbon black) é o aditivo de reforço mais importante para a maioria dos elastómeros, contribuindo para o aumento da resistência à abrasão e ao rasgamento. Outros exemplos são a sílica ou silicatos. Quantidades crescentes de negro de fumo conduzem a uma melhoria crescente das propriedades até se atingir um máximo. O tipo e a dimensão das partículas do aditivo de reforço são parâmetros importantes na obtenção das propriedades pretendidas. Designação (ASTM) Designação comum Composição Química NR Borracha Natural Poli-isoprene natural IR Isoprene Poli-isoprene sintético BR Polybutadiene Polybutadiene IIR Butyl Copolímero de isobutylene e isoprene CR Neoprene Policloroprene Figura 4 Alguns elastómeros comerciais. Um dos produtos sintéticos mais utilizados em blocos de apoio de pontes é o neoprene. Na figura 5 é estabelecida uma comparação entre as propriedades da borracha natural e este composto sintético. 3

6 Propriedade Borracha Natural Neoprene Resistência à tracção Excelente Boa Alongamento Excelente Boa Resiliência Excelente Boa Envelhecimento natural Boa Excelente Resistência ao ozono Fraca Excelente Resistência à luz solar Fraca Excelente Envelhecimento com o calor Fraca Boa Estabilidade térmica Má Boa Comportamento a baixas temperaturas Boa Fraca Fluência Fraca Fraca Relaxação Fraca Fraca Permeabilidade ao ar Fraca Boa Resistência a óleos lubrificantes Má Boa Figura 5 Comparação das propriedades da Borracha e do Neoprene 2. Propriedades mecânicas dos elastómeros A principal característica dos elastómeros é a sua grande deformabilidade e elasticidade. Alguns elastómeros podem atingir deformações de 1000% sem rotura e recuperar a forma original. A sua grande capacidade de recuperação permite acumular mais energia do que qualquer outro material. Apresentam baixo Módulo de Elasticidade pelo que conseguem atingir grandes deformações mesmo para um nível baixo de tensões. O seu coeficiente de Poisson é aproximadamente igual a 0.5. Os elastómeros são substâncias quase incompressíveis que se deformam mais por alteração da forma do que pela variação de volume. A relação tensão-deformação dum bloco de elastómero depende muito da forma do provete utilizado. Se o provete for baixo e com uma grande secção transversal, a sua rigidez será muito maior do que seria se a relação entre a altura e a secção transversal fosse elevada (ver Figura 6). A rigidez do bloco depende muito da sua capacidade de deformação lateral. Por este motivo um factor determinante na capacidade de deformação de um bloco de elastómero é o seu factor de forma, que se define como a relação entre a área carregada (superfície perpendicular ao carregamento) e a área livre (superfície lateral do bloco) (ver Figura 6). 4

7 Área Carregada (A C ) Factor de Forma (S) = A C / A L Área livre (A L ) Figura 6 Modo de deformação dos blocos de elastómero. Observando a Figura 7 pode-se avaliar a influência do factor de forma na rigidez vertical de uma lâmina de elastómero. O resultado apresentado está normalizado em relação à rigidez de uma lâmina com factor de forma igual a Rigidez vertical (x Rigidez vertical para S=7.5) Factor de Forma (S) Figura 7 Influência do Factor de Forma na rigidez duma lâmina de elastómero. Como a rigidez de um bloco de elastómero depende da sua forma não é possível utilizar esta propriedade para classificar estes compostos independentemente da forma do provete. Assim, para que se possa fazer uma classificação das características elásticas dum determinado elastómero, qualquer que seja a forma do bloco em que ele se apresenta, é necessário utilizar outra característica, a dureza. A dureza pode ser medida através dum aparelho ( durómetro ) que mede a força necessária para fazer uma pequena punção na superfície do elastómero a classificar. 5

8 A dureza do elastómero não é uma grandeza importante só por si. Só tem interesse como um indicador da rigidez do composto, com a vantagem da sua medida não depender da forma do bloco de elastómero. Figura 8 Relação entre o Módulo de Distorção (G) e a dureza, válida para pequenas deformações (Adaptado de Harris, 1997). Dois dos grandes problemas dos elastómeros são o envelhecimento e o aumento da rigidez com a descida da temperatura. Quando a temperatura baixa os elastómeros ficam com a sua capacidade de deformação limitada. Este comportamento pode ser particularmente gravoso quando os elastómeros são aplicados em blocos de apoio de pontes em regiões muito frias. São essencialmente fenómenos de oxidação que conduzem à alteração das propriedades do elastómero com o tempo. Outros factores que também contribuem significativamente para o envelhecimento dos elastómeros são: a exposição à luz solar ou a raios ultra-violeta; a exposição a grandes concentrações de ozono (em especial quando sujeitos a tensão); a exposição a altas temperaturas; o contacto com óleos. A correcta escolha da composição dos elastómeros e a utilização de esquemas especiais de protecção dos blocos pode minorar os fenómenos de envelhecimento. 6

9 2.1 Rigidez Vertical A deformação vertical duma lâmina de elastómero resulta da soma de duas componentes de deformação de origem distinta. Uma primeira parcela é devida à deformação da lâmina por distorção (K v (γ)), enquanto a outra componente resulta da variação de volume da camada de elastómero (K v (ν)). Assumindo que a deformação total é a soma das duas componentes de deformação, obtémse a seguinte expressão para o cálculo da rigidez vertical: K v = K v(γ) K v (ν) K v (γ) + K v (ν) K v (γ) = β 2 G S2 A h el K v (ν) = E b A h el (rigidez vertical devido à distorção) (rigidez por variação de volume) com, E b módulo de compressibilidade do elastómero (E b ~2000MPa); G módulo de distorção do elastómero (G ~0.4 a 2.0 MPa); S factor de forma; h el espessura da camada de elastómero; A secção transversal da camada de elastómero; β 2 coeficiente que depende da forma da secção (ver Quadro 1). Quadro 1 Valores do coeficiente β 2. β 2 (Kelly, 1993) (CEN/TC 167, 2001) bloco com secção circular 6 5 bloco com secção quadrada A deformação vertical de um conjunto de lâminas de elastómero pode ser calculada a partir da rigidez vertical de cada uma das camadas que constituem o bloco: 1 K v = 1 Σ (K v ) i (rigidez vertical de um conjunto de camadas) (K v ) i rigidez vertical de cada uma das camadas que constituem o bloco de elastómero Se as camadas forem todas de igual espessura, a expressão anterior pode ser simplificada tomando a seguinte forma: K v = (K v) i n n número de camadas de elastómero que compõem o bloco. As expressões apresentadas atrás são válidas se as camadas de elastómero só estiverem impedidas de se deformar lateralmente nas suas superfícies superior e inferior. A componente de deformação 7

10 devido à distorção só é possível se não houver qualquer restrição à deformação lateral da camada ao longo da sua espessura. O mecanismo de deformação que desta forma ocorre está esquematizado na Figura 9. Como se pode observar, neste modo de deformação só as superfícies de topo se encontram impedidas de expandir lateralmente devido à presença das chapas de aço de reforço. Este constrangimento introduz tensões nas chapas de aço tal como está indicado na referida figura. É de realçar o papel das chapas de aço de reforço no aumento da rigidez vertical dos blocos. A presença das chapas permite considerar o bloco de apoio como uma sobreposição de camadas de menor espessura (logo com maior factor de forma), aumentando desta forma a rigidez global do bloco. Figura 9 Modo de deformação vertical de bloco de elastómero reforçado com chapas de aço. Se a deformação lateral da camada de elastómero for impedida, tal como acontece nos aparelhos de apoio do tipo pote, então só a componente de deformação por variação de volume pode ocorrer o que conduz a valores muito superiores de rigidez. 1.4E+07 Rigidez vertical 1.2E E E E E+06 sem def. lateral com def. lateral 2.0E E Factor de Forma (S) Figura 10 Influência da deformação lateral na rigidez duma camada de elastómero. 8

11 2.2 Rigidez Horizontal No caso de blocos de elastómero cintado, o valor da rigidez do conjunto pode ser calculado a partir do valor do módulo de distorção (G). Como cada bloco é constituído pela justaposição de camadas de elastómero, a deformação horizontal do conjunto é o somatório das deformações individuais de cada camada. Por seu lado, a deformação de cada camada, devido à sua pequena espessura, é essencialmente por corte. Desta forma a relação entre a rigidez do bloco e o módulo de distorção obedece à seguinte expressão: K v = G A h el com, G módulo de distorção do elastómero (G ~0.4 a 2.0 MPa); h el espessura da camada de elastómero; A secção transversal da camada de elastómero; A expressão atrás indicada para o cálculo da rigidez horizontal, e que é aquela que é normalmente utilizada na maioria dos casos, poderá necessitar duma correcção se a carga vertical sobre o bloco for muito elevada. A razão desta correcção prende-se com o facto de os blocos estarem sujeitos a fenómenos de instabilidade lateral, semelhantes aos de uma coluna vertical, embora dominados pela baixa rigidez ao corte do conjunto. Segundo Kelly (Kelly, 1993), se a carga vertical sobre o bloco for próxima da carga crítica (N cr ), então a rigidez horizontal do bloco deve ser calculada através da seguinte expressão: em que, K h = G A h el N 2 h 1 - el G A h T N E G módulo de distorção; A área em planta do bloco; h el altura total de elastómero (somatório das espessuras das várias camadas); h T altura total do bloco; N carga vertical sobre o bloco; N E carga vertical de Euler. A carga vertical de Euler pode ser calculada através da seguinte expressão (Kelly, 1993a): sendo, N E = β 1 π 2 G S 2 I h T h el S factor de forma da secção; I momento de inércia da secção; t espessura duma camada de elastómero; β 1 coeficiente definido em função da forma do bloco: bloco com secção circular - β 1 = 2 bloco com secção quadrada - β 1 =

12 2.3 Rigidez à Rotação A rigidez à rotação é a relação entre momentos e rotações em torno de um eixo horizontal, paralelo a uma das faces no caso de blocos rectangulares, ou em qualquer direcção para os blocos de secção circular. Esta rigidez pode ser calculada através das seguintes expressões: K θ = G a5 b n t 3 β 3 K θ = G φ6 π n t (secção rectangular) (secção circular) sendo, n número de camadas de elastómero; β 3 constante definida em função da relação (b/a) (ver Quadro 2); a,b dimensões em planta dos blocos de secção rectangular (b refere-se à direcção paralela ao eixo em torno do qual se considera a rotação). Quadro 2 Valores do coeficiente β 3 (CEN/TC 167, 2001). a/b b 3 a/b b Propriedades Dinâmicas dos Elastómeros Um dos problemas que se coloca na utilização de elastómeros em blocos de apoio sujeitos a acções dinâmicas é a influência da frequência da vibração nas propriedades dinâmicas destes. De acordo com a informação existente há alguma influência da frequência de vibração no valor da rigidez dos blocos, apresentando esta a tendência para aumentar quando a frequência aumenta. Felizmente este efeito só é aparente para frequências de deformação muito superiores às que ocorrem normalmente em aparelhos de apoio de estruturas. Outro fenómeno a ter em consideração é a influência da deformação no valor do Módulo de Distorção (G). Verifica-se uma diminuição do valor de G com o aumento da distorção, sendo esta diminuição muito acentuada para valores de distorção inferiores a 50%. Alguns compostos voltam a registar um aumento da rigidez para valores de distorção muito elevados (>300%). De acordo com a informação actualmente disponível a influência do esforço normal no valor do Módulo de Distorção (G) é desprezável. De um modo geral os blocos de elastómero apresentam baixo amortecimento (ζ<3%) salvo no caso de compostos específicos (por exemplo borracha de alto amortecimento), que podem chegar a 10

13 apresentar amortecimentos superiores a 15%. Estes compostos serão alvo de tratamento especial em capítulo mais adiante. Figura 10 Influência da frequência no Módulo de Distorção (G) (adaptado de Kelly, 1993) σ n (MPa) G (MPa) Distorção (%) Figura 11 Influência do nível de deformação no Módulo de Distorção (G) (Guerreiro, 1996). 11

14 3. Isolamento de Base Os sismos são um dos desastres naturais que mais impacto tem junto da populações, não só pelos prejuízos humanos e materiais causados mas também pela sua imprevisibilidade. Este panorama tem motivado os investigadores na busca de novas soluções para melhorar o comportamento anti-sísmico das estruturas. A utilização da borracha é uma dessas soluções. Figura 12 Danos ocorridos durante o sismo de Izmit, Turquia, Figura 13 Gravura representando a destruição ocorrida em 1755, em Lisboa. Figura 14 Danos devidos ao sismo do Faial. Mas como se utiliza a borracha na concepção anti-sísmica? A resposta é: através de Isolamento de Base. 3.1 O conceito de Isolamento de Base O conceito de isolamento sísmico é simples. Tal como a designação refere, a ideia é isolar a estrutura do efeito dos sismos. O efeito devastador dos sismos decorre da transmissão dos movimentos do solo às estruturas edificadas, dando origem ao aparecimento de forças de inércia que as estruturas têm que ter capacidade para suportar. Se se conseguir desligar as estruturas do solo, então os movimentos deste não afectarão o estado de equilíbrio das estruturas. Esta afirmação tem algo de utópico, porque seria impossível desligar completamente as estruturas do solo sobre o qual assentam. No entanto, se se restringir somente ao plano horizontal, então esta ideia já é teoricamente concretizável. Assim, a ideia subjacente ao conceito de isolamento sísmico, é a eliminação das ligações entre a estrutura e o exterior, no plano horizontal, mantendo em pleno a ligação entre a estrutura e o solo na direcção vertical. O isolamento será pois relativo somente aos movimentos horizontais. 12

15 Camada deformável estrutura solo Figura 15 No isolamento de Base o objectivo é separar a estrutura do solo de fundação. Em resumo, a ideia do isolamento sísmico consiste na criação duma superfície de descontinuidade, no plano horizontal, de modo a que não exista transmissão de movimentos ao longo dessa superfície entre a fundação e a estrutura a proteger. A designação de isolamento de base está associada ao facto da superfície de descontinuidade, que garante o isolamento, se encontrar na base da estrutura, ou elemento estrutural a isolar. As situações mais comuns de utilização são, o isolamento da superestrutura de edifícios em relação às fundações ou o isolamento do tabuleiro de pontes em relação aos pilares e encontros. 3.2 Principais Vantagens e Inconvenientes Uma consequência imediata da interposição de uma camada deformável entre a estrutura e a fundação é a redução da frequência própria de vibração associada ao movimento horizontal. Este facto só por si pode levar a uma diminuição significativa nas acelerações impostas à estrutura e, consequentemente, nos esforços. A contrapartida é o aumento da deformação total da estrutura como seria de esperar, pois a estrutura foi tornada mais flexível. Para compensar este aumento de deformações é conveniente que o sistema de isolamento apresente boa capacidade de amortecimento. Desta forma será possível minimizar as deformações máximas além de diminuir ainda mais o valor das acelerações. Aceleração (m/s 2 ) Estrutura com Isolamento Redução nas acelerações Estrutura de Base Fixa 5% 10% Freq. (Hz) Deslocamento (m) Aumento nos deslocamentos % 5% 0.14 Figura 16 Análise do efeito da diminuição da frequência no comportamento da estrutura. 13

16 De acordo com o exemplo apresentado na Figura 16, se a frequência própria da estrutura baixar de 2Hz para 0.5Hz, e simultaneamente considerarmos um aumento no amortecimento de 5% para 10%, a redução da aceleração espectral é de cerca de seis vezes. Esta redução é no entanto acompanhada de um aumento no deslocamento espectral de cerca de quatro vezes. Neste exemplo foi utilizado o espectro de resposta do RSA característico da acção tipo 1 e terreno de fundação tipo I. É importante referir que, embora os deslocamentos na estrutura isolada aumentem, estes vão concentrar-se ao nível da camada de isolamento, não correspondendo portanto a um aumento de deformações na estrutura. Como, em princípio, os sistemas de isolamento são constituídos por dispositivos com grande capacidade de deformação, não existem grandes inconvenientes neste aumento dos deslocamentos globais. A única limitação passa a ser a necessidade de os edifícios com isolamento estarem isentos de qualquer ligação fixa a estruturas adjacentes. Isolamento de Base Sem Isolamento de Base Com Isolamento de Base Figura 17 Comparação entre a deformação de edifícios com e sem isolamento de base. Na maioria das situações ao baixar a frequência da estrutura para valores inferiores a 1.0Hz, estamos a baixar as acelerações impostas ao nível dos pisos. Isto só não acontece quando seja de esperar um sismo com muita energia nas frequências baixas. Nestas situações a utilização de isolamento de base pode não ser aconselhável, já que a resposta da estrutura terá tendência a aumentar com a diminuição da frequência. 3.3 Evolução dos Sistemas de Isolamento de Base A primeira referência a um sistema de protecção sísmica que pode ser considerado isolamento de base ocorre no inicio do século XX. Este sistema foi patenteado em Munique, no ano de 1906, e consistia numa placa rígida que servia de base ao edifício e que, por sua vez, estava assente sobre um conjunto de roletes de material rijo (Figura 18). Em 1909 foi registada outra patente desta vez por um médico, Dr. Calantarients, que concebeu uma solução em que o edifício assenta sobre uma camada de talco. Como se pode observar na Figura 19, o Dr. Calantarients concebeu um conjunto de dispositivos para ligação das condutas ao exterior, ligações estas com capacidade para acomodar grandes deslocamentos. 14

17 Figura 18 Sistema de isolamento patenteado em Figura 19 Sistema de isolamento patenteado pelo Dr. Calantarientes em Em 1969 surge em Skopje, na então Jugoslávia, aquele que é apontado como o primeiro exemplo de aplicação de isolamento de base a escola Heinrich Pestalozzi. Este edifício encontra-se assente em blocos de borracha não reforçada, e ligado ao exterior por elementos fusíveis. Logo que estes elementos fusíveis se quebrem o edifício fica a vibrar livremente sobre os apoios de borracha. 15

18 Vista Geral Blocos de Borracha Blocos Fusíveis Figura 20 Escola Heinrich Pestalozzi, Skopje, O aparecimento e desenvolvimento dos apoios em borracha, neoprene ou outros elastómeros, veio dar um grande impulso na aplicação de sistemas de isolamento de base. Em 1978 foi construída uma central nuclear na África do Sul (Kroeberg), com aplicação de isolamento de base. Esta estrutura constitui um marco histórico na evolução do conceito de isolamento, pois é o exemplo duma edificação onde o nível de segurança é elevado. Laje superior Bloco de neoprene Chapas de deslizamento Base em betão Figura 21 Sistema de isolamento utilizado na central nuclear de Kroeberg, África do Sul,

19 3.4 Tipos de Sistemas de Isolamento de Base Um sistema de isolamento de base pode ser constituído por elementos de um só tipo ou por elementos de diversos tipos e com características que se complementam. As principais características que um sistema de isolamento de base deve apresentar são: Capacidade de Suporte; Baixa Rigidez Horizontal; Capacidade de dissipação de energia (ζ>5%); Capacidade de restituição à posição inicial. Actualmente existem diversas propostas de soluções de isolamento de base. A maioria delas contém elementos de borracha ou outro elastómero. De seguida são apresentados os sistemas de isolamento mais divulgados na actualidade. i) Blocos de Borracha de Alto Amortecimento HDRB ( High Damping Rubber Bearing ) Estes aparelhos de apoio têm o aspecto de um normal aparelho de apoio de pontes em neoprene reforçado com chapas de aço. A diferença reside na composição da borracha que, através da utilização de aditivos, consegue altos valores de amortecimento (10%<ζ<20%). As principais características destes apoios são: Coeficientes de amortecimento entre 10% e 20%; Módulo de distorção (G) entre 0.4MPa e 1.4MPa; A rigidez diminui com o aumento da distorção; O amortecimento diminui com o aumento da distorção. Figura 22 Blocos de apoio do tipo HDRB. 17

20 ii) Blocos de Borracha com Núcleo de Chumbo LRB ( Lead Rubber Bearing ) Bloco de apoio de borracha corrente ao qual foi adicionado um núcleo de chumbo cilíndrico. O bloco de apoio tem um comportamento bi-linear conseguindo elevados valores de amortecimento através da plastificação do núcleo de chumbo. As principais características dos blocos do tipo LRB são: Comportamento histerético com cedência do bloco de chumbo; A rigidez do conjunto após cedência do chumbo é a rigidez da borracha; A tensão de cedência do chumbo é cerca de 10MPa; A rigidez antes da cedência é cerca de 10 vezes superior à rigidez após cedência. Figura 23 Blocos de apoio do tipo LRB. Força Horizontal (kn) Deformação (mm) Figura 24 Relação Força-Deformação típica de um bloco LRB. 18

21 iii) Blocos de apoio de Elastómero em associação com dissipadores viscosos. Este tipo de Sistema de Isolamento é uma associação de elementos de baixa rigidez horizontal com sistemas de dissipação de energia. Os elementos de baixa rigidez desempenham a função de suporte, sem qualquer exigência ao nível do amortecimento. Poderão ser blocos de apoio correntes. Os dissipadores têm como única função garantirem o nível de amortecimento necessário. Poderão ser dissipadores viscosos ou histeréticos. Figura 25 Associação de aparelhos de apoio correntes com dissipadores viscosos. iv) Sistema Pendular com Atrito FPS ( Friction Pendulum System ) Este sistema de isolamento não utiliza qualquer elemento de elastómero. No entanto, por ser uma solução de isolamento com uma implantação importante, merece referência a título informativo. Este sistema é composto por dois elementos de aço sobrepostos. Um dos elementos apresenta no seu interior uma superfície côncava. Sobre esta superfície desliza a outra peça contendo uma ponta de aço com a extremidade articulada e revestida por um material compósito de baixo atrito. A dissipação de energia é feita por atrito. A recuperação da estrutura à posição inicial é conseguida através dum mecanismo de funcionamento inspirado no movimento do pêndulo. Figura 26 Aparelho de apoio tipo FPS. 19

22 4. Análise Sísmica de Estruturas com Isolamento de Base Neste capítulo pretende-se apresentar de uma forma simplificada a aplicação do princípio da sobreposição modal na análise sísmica de estruturas com isolamento de base. O método correcto para a análise de estruturas com isolamento é a análise dinâmica no domínio no tempo, pois o comportamento dos sistemas de isolamento de base é não linear. Alguns sistemas têm um comportamento próximo do linear mas têm amortecimento superior ao da estrutura pelo que invalida a análise modal clássica. Embora o uso da análise modal não seja correcto, este método de análise permite obter bons resultados e, sobretudo, permite compreender o comportamento da estrutura isolada através da observação dos seus modos de vibração. Os modos de vibração de uma estrutura isolada têm uma configuração muito característica. O primeiro modo de vibração caracteriza-se por ser um modo praticamente sem deformação da estrutura, envolvendo somente a deformação do sistema de isolamento. Este modo tem normalmente uma participação muito alta na resposta da estrutura, reduzindo desta forma a participação dos modos de vibração que envolvem a deformação da estrutura. No entanto, para que estas observações sejam totalmente verdadeiras é necessário que a estrutura tenha uma certa rigidez, ou seja, que a frequência da estrutura sem isolamento seja pelo menos três vezes superior à frequência do conjunto com isolamento. Na figura 27 estão comparados os modos de vibração típicos de um pórtico plano com e sem isolamento. No exemplo representado foi considerada uma estrutura com frequência não isolada de 2.0Hz e com frequência isolada de 0.50Hz. 2.02Hz 6.20Hz 10.56Hz 14.06Hz Base Fixa 1º Modo 2º Modo 3º Modo 4º Modo Isolada 0.50Hz 3.62Hz 7.41Hz 11.24Hz Figura 27 Comparação entre os modos de vibração de uma estrutura com e sem isolamento. No Quadro 3 são indicados os factores de participação de massa efectiva associados a cada um dos modelos. Como se pode observar, enquanto que na estrutura sem isolamento é necessário considerar os três primeiros modos de vibração para conseguir uma percentagem acumulada de 99%, no caso da estrutura isolada só o primeiro modo tem uma percentagem de massa efectiva de 99.9%. 20

23 Quadro 3 Percentagem efectiva de massa associada a cada modo de vibração. Base Fixa Isolada Modo %Massa Acum %Massa Acum Numa estrutura tridimensional além dos modos de vibração associados à deformação transversal é necessário ter em conta os modos de vibração de torção. A rigidez de torção de uma estrutura com isolamento de base é relativamente baixa, sendo por isso natural o aparecimento de um modo de vibração de torção com frequência relativamente baixa. Se a estrutura tiver uma distribuição aproximadamente simétrica dos aparelhos de apoio deverão aparecer três modos de vibração (dois de translação e um de rotação) com frequências próximas. A existência deste modo de torção não é importante para a resposta global da estrutura, pois dificilmente será excitado pela acção sísmica. O facto de haverem modos de vibração com frequências muito próximas torna imperativo o uso do método de combinação modal CQC. A utilização da análise modal levanta ainda o problema de como considerar no mesmo modelo elementos com amortecimentos diferentes. Recorde-se que, enquanto uma estrutura de betão armado tem 5% de amortecimento, um sistema de isolamento poderá ter amortecimento superior a 10%. A forma mais simples de resolver o problema é considerar um espectro de resposta resultante da conjunção do espectro de resposta de dimensionamento para 5% de amortecimento com o espectro de dimensionamento para o amortecimento do isolamento. Assim, para frequências superiores às frequências dos modos com deformação no isolamento considera-se o espectro de 5%, para as restantes considera-se o espectro para o amortecimento do isolamento. Este procedimento é obviamente um método simplificado que apresenta bons resultados sempre que os modos de vibração que apresentam grandes deformações no sistema de isolamento não envolvem praticamente nenhuma deformação na estrutura % % Dim Aceleração (m/s 2 ) modos da estrutura modos do isolamento Período (seg.) Figura 28 Espectro de resposta modificado para análise de estruturas com isolamento. 21

24 Um dos factores importantes na optimização do comportamento de estruturas com isolamento é a relação entre a frequência da estrutura equivalente de base fixa e a frequência da estrutura com isolamento. Quanto maior for a primeira maior será a independência entre os modos de vibração da estrutura e os modos de vibração do isolamento. No limite a estrutura comportar-se-ia como um bloco rígido em cima de uma camada muito flexível. Na figura 29 são apresentados os resultados da análise de pórticos planos com e sem isolamento. Na parte superior da figura são indicados os deslocamentos globais obtidos em cada situação, e os deslocamentos associados somente à deformação da estrutura no caso com isolamento (curvas a tracejado). Desta forma é possível comparar directamente os deslocamentos relativos à deformação da estrutura em ambos os casos. Na parte inferior da figura estão representadas as envolventes dos esforços de corte associadas a a cada situação. É de realçar o facto de no caso da estrutura com isolamento existir mais um piso, já que o piso térreo também será móvel. Como se pode observar, a redução nos esforços é tanto mais significativa quando maior for a diferença entre as frequências de base fixa e de isolamento. Nota-se também que, quanto mais flexível for a estrutura mais longe da deformada de corpo rígido é a deformada da estrutura com isolamento B Fixa Piso 2 Piso 2 Piso 2 Piso 2 Isolada Isol (est) Deslocamentos (mm) Hz 1.5 Hz 1.0 Hz 0.5 Hz Freq. Base Fixa 0.5 Hz 0.5 Hz 0.5 Hz 0.5 Hz Freq. Isolada Relação B Fixa Piso 2 Piso 2 Piso 2 Piso Isolada Corte (kn) Figura 29 Análise comparativa da resposta de vários modelos com isolamento de base. 22

25 5. Exemplos de aplicação de isolamento de base Actualmente devem ser para cima de um milhar os exemplos de edifícios com isolamento de base em todo o mundo. Entre 1992 e 1995 tinham sido licenciados na Japão apenas 15 edifícios com isolamento de base (ver Figura 30). O sismo de Kobe (Janeiro de 1995) provocou uma brusca e significativa alteração de atitude dos japoneses face ao isolamento sísmico. Só na região de Kobe, Japão, foram aprovados pelas entidades oficiais 450 edifícios com isolamento nos três anos seguintes após ter ocorrido o sismo de 1995 (EERI, 1999). O aumento da popularidade do isolamento de base no Japão ficou a dever-se essencialmente ao bom desempenho do edifício West Japan Postal Savings Computer Center (West-1) durante o sismo de Kobe. Este edifício situa-se a cerca de 30 km do local do epicentro do sismo de Kobe de No topo foram medidas acelerações de 0.13g quando nas fundações abaixo dos isoladores foram medidas acelerações de 0.41g. número de edifícios Sismo de Kobe (17 de Janeiro de 1995) Data de aprovação Figura 30 Evolução do número de edifícios com isolamento no Japão (adaptado de EERI, 1999). Figura 31 Edifício West-1, Japão. Os países com mais exemplos de edifícios com isolamento de base além do Japão são os Estados Unidos, a Nova Zelândia e a Rússia. Na Europa a país com mais edifícios com isolamento é a Itália. 23

26 Foothill Communities Law and Justice Center Rancho Cucamonga, Califórnia Foi o primeiro edifício com isolamento de base a ser construído nos EEUU e o primeiro no mundo a utilizar HDRB. Está localizado a 20km da falha de S. André. Área 1600 m2 Nº de Pisos 4 Nº de apoios 98 Máximo deslocamento 380mm. Fire Command and Control Facility Los Angeles, Califórnia Alberga os computadores e os sistemas de comunicação para gestão de emergências na zona de Los Angeles... Hospital da Universidade da Califórnia do Sul Localiza-se a cerca de 40km do epicentro do sismo de Northridge de Durante este sismo foi registada a aceleração máxima no edifício de 0.13g, quando no exterior as acelerações atingiram 0.49g. Estrutura metálica; 98 apoio do tipo LRB Arrowhead Medical Center Edifício terminado em Os isoladores foram dimensionados para suportar deslocamentos até 550mm. Tem 400 apoios do tipo HDRB. Figura 32 Isolamento de Base nos Estados Unidos. 24

27 Edifício da Telecom Ancona O conjunto é composto por cinco edifícios de 7 pisos. O deslocamento máximo de projecto é de 145mm Foram utilizados apoios do tipo HDRB. Pormenor da construção do elemento de betão armado sobre um dos aparelhos de apoio. Para permitir ligações flexíveis com o exterior foram concebidos dispositivos próprios, com capacidade para acomodar grandes deslocamentos. Num edifício com isolamento de base todas as ligações ao exterior, como por exemplo, ligações de gás, água, electricidade ou comunicações, têm que ser flexíveis. Figura 33 Isolamento de Base em Itália. 25

28 William Clayton Building Wellington Foi o primeiro edifício do mundo a utilizar apoios do tipo LRB. Foi terminado em Tem uma estrutura de betão armado apoiada em 80 blocos LRB. Te Papa Museum of New Zealand Wellington Edifício com 35000m 2 e 23 metros de altura. Tem 142 apoios LRB e 36 apoios deslizantes em teflon Figura 34 Isolamento de Base na Nova Zelândia. Quase simultaneamente com o advento da aplicação de isolamento de base em construções novas surgiu a ideia de utilizar este tipo de dispositivos como forma de reforço sísmico de estruturas. Esta ideia já foi levada à prática em diversos edifícios nos Estados Unidos, havendo ainda exemplos de estudos para futuras realizações noutros países. A aplicação de isolamento de base como reforço sísmico de estruturas existentes envolve uma sequência de operações relativamente delicadas, como o corte das ligações às fundações e a interposição dos blocos de apoio. Estrutura metálica com 28 pisos, concluída em Sofreu danos durante o sismo de Northridge, É actualmente o edifício mais alto com isolamento de base. Solução de isolamento de base: 475 HDRB 60 apoios deslizantes 64 amortecedores viscosos Fases de construção Figura 35 Reforço sísmico com Isolamento de Base do City Hall de Los Angeles. 26

29 6. Bibliografia Billmeyer, F. W.: Textbook of Polymer Science, John Wiley & Sons, Inc., Hall, C.: Polymer Materials - An Introduction for Technologists and Scientists, Macmillan Education, 2nd Edition, Mantell, C. L. (editor): Engineering Materials Handbook, McGraw-Hill Book Company, 1st Edition, Kelly, J.: Earthquake-Resistant Design with Rubber, Springer-Verlag, 1st Edition, Naeim, F. and Kelly, J.: Design of Seismic Isolated Structures, John Wiley & Sons, Inc., 1st Edition,1999. Guerreiro, L.: Isolamento Sísmico de Edifícios, Tese de Doutoramento, IST, Guerreiro, L. e Azevedo, J.: Ensaio de Caracterização de Aparelhos de Apoio para as Obras de Arte do IP6: Viaduto sobre a Ribeira de Rio de Moinhos e Ponte sobre o Rio Zêzere, Relatório ICIST EP 37/95, CEN/TC 167/WG: European Standard on Structural Bearings, CEN/TC 167/WG: European Standard on Structural Bearings,