ENSAIOS IN SITU CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E IDENTIFICAÇÃO DINÂMICA

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1 05 CADERNO DE APOIO À AVALIAÇÃO DO RISCO SÍSMICO E DE INCÊNDIO NOS NÚCLEOS URBANOS ANTIGOS DO SEIXAL Outubro de 2010 ENSAIOS IN SITU CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E IDENTIFICAÇÃO DINÂMICA Seixal Arrentela Paio Pires Amora universidade de aveiro

2 05 CADERNOS DE APOIO À AVALIAÇÃO DO RISCO SÍSMICO E DE INCÊNDIO NOS NÚCLEOS URBANOS ANTIGOS DO SEIXAL Orientação científica: Romeu Vicente J. Ant. R. Mendes da Silva Humberto Varum Aníbal Guimarães da Costa Equipa técnica: Ana Subtil Cátia Santos Mário Santos Tiago Ferreira António Figueiredo Hugo Rodrigues ENSAIOS IN SITU CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA E IDENTIFICAÇÃO DINÂMICA

3 Cadernos de apoio à avaliação do Risco sísmico e de incêndio nos Núcleos Urbanos Antigos do Seixal 00: Risco sísmico e de incêndio nos Núcleos Urbanos Antigos do Seixal 01: Caracterização construtiva do edificado 02: Evolução urbana e tipologias do edificado 03: Avaliação da vulnerabilidade sísmica 04: Avaliação do risco de incêndio urbano 05: Ensaios in situ: caracterização mecânica e identificação dinâmica Ficha Técnica Instituição de acolhimento do projecto: IPN Instituto Pedro Nunes Orientação científica: Romeu Vicente Prof. Auxiliar DEC-UA J. Ant. R. Mendes da Silva Prof. Associado DEC-FCTUC Humberto Varum Prof. Associado DEC-UA Aníbal Guimarães da Costa Prof. Catedrático DEC-UA Equipa técnica: Ana Subtil Conservação e Restauro Cátia Santos Arquitectura Mário Santos Engenharia Civil Tiago Ferreira Engenharia Civil Outras colaborações: António Figueiredo Engenharia Civil Hugo Rodrigues Engenharia Civil Agradecimentos: Câmara Municipal do Seixal Pelouro da Protecção Civil do Concelho do Seixal Gabinete da Protecção Civil do Concelho do Seixal Corporação de Bombeiros do Concelho do Seixal Versão do relatório: V Data do relatório: Instituto Pedro Nunes Coimbra, 2010 ii

4 Preâmbulo A qualidade de vida dos núcleos urbanos constitui uma meta dinâmica, sempre influenciada pelos processos sociais e económicos e pela evolução das suas exigências e expectativas, bem como pela evolução do próprio tecido urbano, do parque edificado e das infra-estruturas. Nos núcleos urbanos antigos, são peças fundamentais deste desafio a garantia de segurança, de conforto e de salubridade, num equilíbrio que se deseja sustentado e sustentável com a preservação das memórias e da cultura local, que não se esgota na manutenção, reabilitação e valorização do património edificado, mas que nele encontra fortes razões e raízes. No domínio, ainda mais específico, da segurança assumem destaque a segurança contra o risco sísmico e a segurança contra risco de incêndio, cujas graves consequências fazem parte da memória colectiva e, infelizmente, em alguns casos, da memória viva de diversas comunidades. A gravidade dos danos que daí decorrem é motivo suficiente para uma forte valorização das estratégias de prevenção, planeamento e mitigação que diminuam a sua probabilidade, limitem as suas consequências e permitam uma acção continuada de melhoria, já que só utopicamente se poderá considerar a possibilidade de transformação integral e imediata das realidades urbanas em situações de risco zero. Entre as medidas administrativas e legais no domínio da segurança urbana, os planos de emergência municipais, em articulação com outras medidas e instrumentos da protecção civil, têm vindo a constituir um avanço significativo no plano nacional. Nestes, as componentes técnicas têm assumido expressões diversas, consoante as diferentes sensibilidades e especificidades locais. O presente relatório, elaborado por uma equipa do Instituto Pedro Nunes ( coordenada por investigadores das Universidades de Coimbra ( e Aveiro ( constitui uma concretização clara do empenho do Município do Seixal em dotar o seu Plano de Emergência de uma forte componente técnica no domínio da segurança contra risco sísmico e de incêndio urbano, cientificamente fundamentada, para as zonas mais vulneráveis: os Núcleos Urbanos Antigos do Seixal, Arrentela, Amora e Paio Pires. A iniciativa é inovadora e potencia futuros desenvolvimentos interdisciplinares no domínio da reabilitação urbana, que se espera possam vir a contribuir, como desejado, para uma progressiva melhoria da qualidade de vida das comunidades e uma valorização sustentada dos núcleos urbanos antigos. iii

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6 Índice 1. Ensaios de caracterização mecânica das alvenarias do Seixal Enquadramento, objectivos e descrição geral dos ensaios Enquadramento e objectivos dos ensaios Campanha de ensaios realizados Princípios e condicionantes de ensaio Ensaios simples Descrição geral do ensaio simples Estimativa das tensões instaladas Ensaios duplos Descrição geral do ensaio duplo Resultados em termos de deformabilidade e resistência Estimativa do módulo de elasticidade Ensaios de Caracterização Dinâmica Frequências naturais e modos de vibração Edifício Z2SE036 (Farmácia na Rua Paiva Coelho) Edifício Z2SE054 (Edificio habitacional contíguo à Mundet) Comentários Finais Referências Bibliográficas...20 v

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10 1. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DAS ALVENARIAS DO SEIXAL 1.1. ENQUADRAMENTO, OBJECTIVOS E DESCRIÇÃO GERAL DOS ENSAIOS Enquadramento e objectivos dos ensaios As intervenções em edifícios antigos, com paredes de alvenarias resistentes, assumem com frequência uma extensão e complexidade que obriga a um estudo, conhecimento e caracterização prévia dos seus materiais constituintes. Os trabalhos preparatórios de caracterização dos materiais, bem como das soluções construtivas existentes, são fundamentais para a definição de uma estratégia interventiva correcta, evitando o uso de técnicas exageradamente intrusivas que descaracterizam a autenticidade do património construído e, por vezes, até incompatíveis mecanicamente com o existente. No presente caderno apresentam-se os resultados de ensaios de caracterização do comportamento mecânico das alvenarias (recorrendo a ensaios de macacos planos) mais representativas do edificado do Seixal. Esta campanha de ensaios é uma acção complementar a toda a informação recolhida localmente nas inspecções aos edifícios, que servirá de apoio a uma avaliação da segurança estrutural do edificado mais rigorosa e da sua vulnerabilidade sísmica. Com recurso a estes ensaios é possível estimar o estado de tensão instalada nas paredes, a sua resistência à compressão e o seu módulo de elasticidade, que correspondem a parâmetros fundamentais na análise de segurança estrutural das construções. A sua aplicabilidade e procedimento a seguir encontram-se documentados pelas normas técnicas ASTM C (1991a) (norma americana) e RILEM LUM.D.2 (1990a) (norma europeia). Com as informações recolhidas decorrentes dos ensaios de macacos planos (caracterização dos materiais e métodos construtivos subjacentes à construção), procura-se criar uma base de dados que permita sustentar e promover correctas técnicas de reabilitação e avaliar o nível de vulnerabilidade sísmica destes edifícios Campanha de ensaios realizados As paredes de alvenaria em estudo, foram, numa primeira fase, avaliadas através de uma inspecção visual detalhada, de forma a definir um local estratégico de ensaio tendo em conta o esquema estrutural do edifício. A caracterização mecânica da alvenaria com recurso a ensaios de macacos planos passou de forma etápica pela realização de ensaios simples, seguidos de ensaios duplos, aproveitando-se o mesmo pano de parede para a execução de ambos. Com os ensaios simples de macacos planos (em que se usa apenas um macaco) consegue-se estimar a tensão instalada nas paredes de alvenaria. Com o ensaio duplo, é possível caracterizar o comportamento mecânico das paredes (resistência e deformabilidade), que se encontram confinadas inferiormente e superiormente por dois macacos planos. É importante referir que não foi possível controlar as condições de humidade das paredes que foram ensaiadas, reconhecendo-se que este factor poderá afectar os resultados. 1

11 Em função da heterogeneidade encontrada nas respectivas alvenarias e por condicionantes habitacionais e de uso dos edifícios, definiu-se a estratégia para a escolha dos locais de ensaio. Os levantamentos e o conhecimento prévio dos edifícios pelo preenchimento das fichas foram os factores que conduziram a selecção desses locais. Na Figura 1a) identifica-se a localização dos edifícios onde foram ensaiadas as paredes. Os ensaios encontram-se numerados na planta de 1 a 3. No interior do edifício da Figura 1b) efectuaram-se dois ensaios, o primeiro numa parede de compartimentação e o segundo numa parede da envolvente externa. Na Figura 1c) observa-se o edifício onde se efectuou o terceiro ensaio, cuja localização espacial se encontra marcada com um círculo vermelho. a) b) c) Figura 1: Localização dos edificios ensaiados e zonas de ensaio: a) localização e numeração dos ensaios; b) Ensaio 1 e 2 de macacos planos no interior da moradia; c) Ensaio 3 de macacos planos É de salientar que os ensaios foram realizados em edifícios recentemente devolutos, que se encontram em medíocre estado de conservação, mas sem problemas estruturais visíveis ou aparentes, sendo desta forma representativos do edificado do Seixal. Refere-se ainda que 2

12 as zonas de paredes ensaiadas ofereciam as condições e requisitos impostos pelas normas ASTM C (1991a) e RILEM LUM.D.2 (1990a). Na Tabela 1 está indicada a localização dos edifícios ensaiados assim como uma breve referência às características das paredes em estudo. Esta informação poderá revelar-se como uma ferramenta fundamental na interpretação de alguns dos resultados obtidos, nos ensaios simples e duplos. Tabela 1: Localização e identificação da zona das paredes ensaiadas ID do ensaio Localização do edifício Face da parede ensaiada Algumas observações 1 Rua Cândido dos Reis, Nº. 173 Face interior Material muito homogéneo 2 Rua Cândido dos Reis, Nº. 173 Face interior 3 Praça Mártires da Liberdade, Nº. 31 Face exterior Reboco de espessura considerável e alvenaria muito irregular. Paredes com elevados níveis de humidade aparente Reboco com argamassa de base cimentícia Princípios e condicionantes de ensaio Existem alguns princípios e condicionantes associados aos ensaios de macacos planos, nomeadamente ao nível de execução, de tratamento de dados e das características das alvenarias (Rufo, 2010). As premissas deste tipo de ensaio são: O estado de tensão inicial instalado nas paredes de alvenaria é de compressão e é uniforme ao longo da sua espessura, não considerando a possibilidade de existência de estados de tensão diferentes numa e noutra face da parede, nem a existência de um núcleo menos rígido; A alvenaria na vizinhança dos cortes é homogénea; A alvenaria deforma-se simetricamente em relação ao eixo dos cortes horizontais, assumindo que as deformações inelásticas são distribuídas ao longo do comprimento do corte; A tensão aplicada pelos macacos planos sobre a alvenaria é considerada uniforme; Na alvenaria deve estar instalado, antes do ensaio, um estado de tensão que não ultrapasse o limite linear elástico. Como condicionantes que poderão provocar algumas incertezas nos resultados tem-se: Reduzida confiança nos resultados dos ensaios simples para valores de carga muito reduzidos, dados pequenos níveis de deformações impostas; 3

13 Cargas insuficientes sobre a zona da parede em ensaio, provocando condições de reacção insuficientes à pressão mínima introduzida pelo macaco plano; Dificuldade na interpretação dos resultados em situações de alvenarias muito heterogéneas, com materiais muito fracos e soltos; As tensões estimadas nas paredes podem não corresponder às tensões efectivamente instaladas devido a uma distribuição assimétrica, uma vez que a morfologia heterogénea das alvenarias permite que se estabeleçam caminhos preferenciais de concentração de tensões; Registo da área de carregamento efectivo dos macacos planos, durante o ensaio, para os vários níveis de tensão e área de carregamento final; Influência nos resultados em função das secções/zonas ensaiadas devido à proximidade de pontos singulares da parede de alvenaria (aberturas, cunhais, mudanças na espessura das paredes); Planeza, espessura e paralelismo dos cortes. Este último factor, no caso do ensaio duplo, por vezes, obriga ao calçamento do macaco plano de forma diferenciada ao longo do corte; Cumprimento das normas, relativamente à localização e distância das miras de controlo de deformação em relação ao corte e entre si. Estas disposições poderão ser claramente condicionadas pela disposição dos elementos (pedras, blocos, material cerâmico, cascalho), pelas juntas que constituem a parede de alvenaria e sobretudo pela sua irregularidade. É importante salientar que a maior condicionante associada aos ensaios de macacos planos corresponde à estimativa da área de carregamento, ou seja a área de contacto entre o macaco plano e a parede. Esta condicionante deverá ser alvo de um tratamento mais cuidado, tentando-se estimar o seu valor com o menor erro possível. Refere-se também que esta área de contacto é variável durante a aplicação de pressões no macaco com as correspondentes deformações associadas (aumenta com o desenvolvimento do ensaio). A estratégia utilizada para estimar a área de contacto consistiu na interposição de uma folha de papel químico entre o macaco e o corte, estimando-se assim a área de carregamento para o máximo de tensão instalada. Este procedimento já foi realizado anteriormente por Lourenço e Gregorczyk, (2000). Com o valor da área de contacto consegue-se determinar o factor de correcção, k a, que representa o quociente entre a área do corte e a área efectivamente carregada da parede (ASTM C , 1991). Não existe uma relação directa para a área de carregamento, embora nos presentes ensaios, e dadas as semelhantes condições e características das alvenarias, se tenham obtido carregamentos 4

14 (Figura 2) com pequenas variações da área de carregamento (aproximadamente entre 65% e 80% da área total do macaco). a) b) Figura 2 Exemplo da estimativa da área de contacto entre a parede e o macaco: a) área de carregamento do macaco plano inferior do ensaio 2; b) área de carregamento do macaco plano inferior do ensaio 3 2. ENSAIOS SIMPLES 2.1. DESCRIÇÃO GERAL DO ENSAIO SIMPLES O equipamento e o procedimento de tarefas a seguir para a realização dos ensaios simples de macacos planos, está descrito nos seguintes pontos e na Figura 3: Máquina de corte, com disco ou serra de corte apropriado ao tipo de alvenaria e ao formato do macaco plano a utilizar; Macaco plano (nos ensaios descritos neste capitulo usaram-se macacos planos semi-ovais); Sistema transmissor hidráulico de altas pressões, constituído por bomba e manómetros para controlo da pressão; Tubagem apropriada a altas pressões, que permite a ligação entre o sistema transmissor hidráulico e os macacos planos; Sistema de monitorização de deformações, designadamente miras e alongâmetro; Sistema de monitorização de pressão constituído por célula de pressão, placa de aquisição de dados e computador portátil; Equipamento de segurança individual (óculos, luvas, botas de protecção, etc). Na Figura 3 observam-se as etapas inerentes ao ensaio simples dispostas cronologicamente. 5

15 a) Marcação do corte e colocação das miras b) Abertura do corte até atingir a geometria do macaco c) Avaliação das distâncias entre miras após o corte d) Inserção do macaco plano no interior do corte e) Aplicação de incrementos de pressão com registo da resposta da parede Figura 3 Sequencia de operações de um ensaio simples de macacos planos De uma forma sucinta pode-se resumir o ensaio simples nos três pontos seguintes: Registo das distâncias iniciais entre miras de controlo, dispostas perpendicularmente e simetricamente antes de se proceder à abertura do corte na parede (a colagem das miras foi efectuada com resina epóxi de duas componentes); Feita a libertação do estado de tensão, através da realização de um corte na parede de alvenaria (com a dimensão do macaco plano) que provoca o fecho do corte, registam-se novamente as distâncias entre miras após a remoção do material solto do interior do corte; Em seguida insere-se o macaco plano no interior do corte e este é pressurizado gradualmente até atingir um determinado patamar definido previamente. Os níveis de carga são dados com incrementos constantes, até à reposição da leitura inicial da distância entre miras, atingindo-se o chamado ponto de equilíbrio ou de restabelecimento da tensão inicial. 6

16 Deslocamento (mm) Caderno 5 Ensaios in situ: caracterização mecânica e identificação dinâmica Como correcção às incertezas dos coeficientes de área carregada e do atrito do sistema hidráulico e rigidez do macaco plano, utiliza-se a seguinte expressão no cálculo do valor da tensão σ m. Em que: (1) coeficiente (adimensional) que reflecte a rigidez do macaco plano e o atrito do sistemahidráulico, determinado no procedimento de calibração (de acordo com a norma ASTM C (1991b)) coeficiente (adimensional) que traduz a relação entre a área do macaco e a área do corte pressão (em MPa), medida na célula de pressão de aquisição tensão (corrigida com os coeficientes, e ) (em MPa) Os ensaios simples de macacos planos por vezes também são utilizados no registo contínuo da evolução da tensão instalada durante um determinado período de tempo. Um exemplo desta aplicação é o processo de reabilitação da Catedral de Pavia [Macchi, 2005), em que os pilares centrais da catedral foram monitorizados com macacos planos para avaliar a evolução e eficiência das soluções de reforço adoptadas ESTIMATIVA DAS TENSÕES INSTALADAS De seguida nas Figuras 4, 5 e 6 apresentam-se os resultados relativamente aos ensaios simples. Nos gráficos apresentados, observa-se a evolução dos deslocamentos com a correspondente tensão aplicada na parede de alvenaria pelo macaco plano. 0,04 0,02 0,00 Estado de tensão médio -0,02 σ o -0,04 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 Tensão (MPa) Figura 4: Resultados do ensaio simples 1 7

17 Deslocamento (mm) Deslocamento (mm) Caderno 5 Ensaios in situ: caracterização mecânica e identificação dinâmica 0,04 0,02 0,00 Estado de tensão médio -0,02 σ o -0,04 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 Tensão (MPa) Figura 5: Resultados do ensaio simples 2 0,04 0,02 0,00 Estado de tensão médio -0,02 σ o -0,04 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 Tensão (MPa) Figura 6: Resultados do ensaio simples 3 O estado de tensão médio observado nos gráficos é obtido através da tensão instalada na parede ao nível da secção ensaiada, pela média dos registos de deformação dos alinhamentos. Note-se que no ensaio 2 um dos alinhamentos foi eliminado por apresentar um comportamento desviante da tendência do conjunto, em termos de reposição de tensões. A análise dos resultados deverá ser crítica, observando-se e eliminando-se possíveis resultados desviantes. Por vezes, as causas desses desvios encontram-se associadas a fragilizações localizadas na alvenaria, junto às extremidades dos cortes, ou a casos com baixos níveis de tensão instalada na zona do corte. Recomenda-se que após a 8

18 execução dos ensaios se controle visualmente a área da parede circundante ao corte, pois as deformações inelásticas poderão ocorrer de forma mais pronunciada nos alinhamentos das miras mais interiores e ao centro do corte. Dadas estas condicionantes, este tema foi debatido por Noland et al., (1990) e Binda et al., (2003) e assume-se como valor de tensão de equilíbrio o valor associado ao deslocamento residual (correspondente ao ponto de intersecção dos registos dos alinhamentos). Dos resultados obtidos e apesar de uma amostra experimental de apenas três resultados, é possível concluir que as paredes ensaiadas apresentam uma reserva de segurança a acções verticais elevada. Estes dados são confirmados pelos resultados obtidos dos ensaios de macacos planos duplos expressos na Secção 3.2, em que a tensão de rotura da alvenaria é claramente superior à tensão instalada. 3. ENSAIOS DUPLOS 3.1. DESCRIÇÃO GERAL DO ENSAIO DUPLO É técnica habitual aproveitar-se o corte usado no ensaio simples para a execução do ensaio duplo, evitando-se desta forma novos cortes na parede. O procedimento seguido para o ensaio duplo foi o seguinte: Após a abertura do primeiro corte (onde se realiza o ensaio simples) é aberto o segundo corte, paralelo ao primeiro e respeitando as distâncias normativas para a execução do ensaio duplo; Após a inserção do segundo macaco no corte são fixados os sensores de deslocamentos para monitorizar as deformações verticais e horizontais da alvenaria. A distância entre os dois pontos de monitorização segue os requisitos das normas ASTM C (1991b) e RILEM LUM.D.3 (1990b), que fixam uma distância mínima de 400mm (permitindo abranger duas juntas de argamassa da alvenaria) e máxima de uma vez e meio o comprimento dos macacos; Os macacos planos são ligados em paralelo ao sistema de pressurização, aplicandose incrementos de pressão previamente definidos tendo em conta as características da alvenaria em ensaio. A aquisição dos resultados (tensões e deformações) é realizada em modo contínuo durante os vários ciclos do ensaio (carga/descarga). Nos presentes ensaios usou-se potenciómetros para o registo dos deslocamentos e uma célula de pressão para o registo das pressões, ligados a uma placa de aquisição com correspondente gravação dos dados através de uma aplicação em LabView ; Finaliza-se o ensaio quando ocorre a rotura da alvenaria, que se verifica pelo relaxamento da pressão. Através da Figura 7 observam-se algumas etapas importantes da realização de um ensaio duplo. 9

19 a) Colocação do segundo macaco no corte superior e fixação das astes b) Fixação das astes e correspondentes sensores de deslocamentos c) Instrumentação final de um ensaio duplo Figura 7 Sequência de operações na preparação de um ensaio duplo Com o ensaio duplo de macacos planos é possível caracterizar o comportamento mecânico da alvenaria, reproduzindo condições análogas à de um ensaio uniaxial convencional de um provete de parede. Estes ensaios permitem estimar para a alvenaria valores do módulo de elasticidade, da resistência à compressão, entre outras características e parâmetros do comportamento mecânico. Na Tabela 2 indicam-se os valores dos coeficientes de correcção (k a, k m ) utilizados na estimativa da tensão aplicada na alvenaria. Tabela 2 Coeficientes de correcção, k m e k a para os ensaios duplos Ensaio Referência do macaco plano (S superior; I Inferior) k m k a M1S 0,810 M2I 0,698 M3S 0,687 0,800 M4I 0,704 M5S 0,641 M6I 0,729 Por várias calibrações efectuadas aos macacos planos usados nestes ensaios, atribuiu-se um valor médio para o coeficiente de correcção (k m) de 0,800. Em relação aos valores de correcção ao coeficiente de área efectiva (k a) observa-se uma ligeira variação dos valores entre o mínimo e o máximo de aproximadamente 20%. 10

20 Tensão (MPa) Tensão (MPa) Caderno 5 Ensaios in situ: caracterização mecânica e identificação dinâmica 3.2. RESULTADOS EM TERMOS DE DEFORMABILIDADE E RESISTÊNCIA No ensaio duplo o número dos ciclos de carga/descarga foi variável de acordo com a resistência oferecida pela alvenaria. Os ensaios foram realizados com quatro sensores verticais e um horizontal. Refere-se que devido a elevados desvios nos resultados em dois dos sensores do ensaio número 3 apenas foram considerados como válidos dois dos alinhamentos. 1,0 Ensaio 1 (σ - ϵ) 0,8 0,6 0,4 0,2 σ i =0,080MPa 0,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 Extensão ( ) Figura 8 Registos em termos de tensão-extensão do ensaio duplo número 1 Ensaio 2 (σ - ϵ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 σ i =0,082MPa 0,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 Extensão ( ) Figura 9 Registos em termos de tensão-extensão do ensaio duplo número 2 11

21 Tensão (MPa) Caderno 5 Ensaios in situ: caracterização mecânica e identificação dinâmica Ensaio 3 (σ - ϵ) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 σ i =0,100MPa 0,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 Extensão ( ) Figura 10 Registos em termos de tensão-extensão do ensaio duplo número 3 Conforme se pode observar nos gráficos das Figuras 8, 9 e 10 e como referido anteriormente na Secção 2.2 as paredes apenas estão carregadas em aproximadamente 15% da sua capacidade resistente. Na Figura 11 podem-se observar os danos visíveis no final dos ensaios duplos. a) Fissuras visíveis após o ensaio duplo 1 b) Fissuras visíveis após o ensaio duplo 3 Figura 11 Registo de fissuração após os ensaios duplos Dos alinhamentos de cada ensaio foi calculada a deformação média (Figura 12) para ter em conta a deformabilidade global da secção da parede estudada. 12

22 Tensão (MPa) Caderno 5 Ensaios in situ: caracterização mecânica e identificação dinâmica σ - ϵ (média dos ensaios 1-2-3) 1,0 0,8 Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 0,6 0,4 0,2 0,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 Extensão ( ) Figura 12 Deformação média para cada um dos ensaios realizadas Na Tabela 3 é possível observar um resumo de todos os resultados mais importantes dos ensaios realizados, nomeadamente: tensão instalada in-situ, tensão máxima atingida, módulo de elasticidade inicial e o coeficiente de Poisson. Tabela 3 Principais resultados dos ensaios Propriedades mecânicas estimadas Ensaio Tensão in-situ, σ i (MPa) 0,08 0,082 0,10 Máximo valor da tensão atingida, σ máx (MPa) 0,840 0,560 0,900 Módulo de elasticidade, E 0 (MPa) Coef. Poisson, ν, (regime elástico) 0,304 0,427 0,186 13

23 3.3. ESTIMATIVA DO MÓDULO DE ELASTICIDADE Das curvas tensão-extensão médias dos alinhamentos dos ensaios duplos é estimado o módulo de elasticidade médio da alvenaria. A tensão é estimada com os factores de correcção apresentados na expressão 1) na Secção 2.1. O cálculo da extensão é estimado através da seguinte fórmula: Em que: extensão média estimada; distância final medida entre pontos de controlo (mm); distância inicial medida entre pontos de controlo (mm). Segundo o EC6 (CEN, 2005), o cálculo do módulo de elasticidade pode ser estimado, de forma simplificada, como sendo 1000 f k, em que f k representa o valor característico da resistência à compressão. Com os resultados dos ensaios, que aparentemente atingiram valores de tensão próximos da rotura, consideram-se os valores nominais máximos da tensão atingida, de forma simplificada, valores de tensão última, σ últ. De acordo com as recomendações do EC8 (CEN, 2004), o valor de f k pode-se obter por multiplicação do valor médio por um factor de 0,7. No entanto, a norma indica que o valor nominal determinado para a resistência à compressão pode ser tomado como valor de cálculo, no caso de estruturas antigas de alvenaria. Obtêm-se assim, o valor de 1000f k, constante na seguinte tabela (Tabela 4). 2) Tabela 4 Valores dos módulos de elasticidade Ensaio E 0 (MPa) (MPa) Média Apesar da amostra de resultados ser baixa para retirar uma correlação fiável, observa-se que a fórmula apresentada pelo EC6 encontra-se mais afinada para alvenarias tradicionais correntes. 14

24 4. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DINÂMICA 4.1. FREQUÊNCIAS NATURAIS E MODOS DE VIBRAÇÃO Foram efectuadas medições dinâmicas in situ de acelerações com três sismógrafos da GeoSIG, modelo GSR-18 (GeoSIG, 1999), com o objectivo de estimar as frequências naturais dos edifícios a fim de calibrar futuros modelos numéricos (Figura 13). Este aparelho possui um acelerómetro triaxial, responsável pelas leituras das acelerações, e uma memória interna, que permite a gravação dos registos de forma autónoma. Possui ainda um digitalizador de 18bits que assegura a conversão do sinal analógico (contínuo) em sinal digital (discreto) a uma resolução adequada ao trabalho a realizar. Figura 13: Sismógrafos utilizados nas medições dinâmicas Foram efectuadas medições de aceleração em dois edifícios: 7 medições no edifício com o código Z2SE036 e 4 medições no edifício com o código Z1SE054. As direcções consideradas (longitudinal, transversal e vertical) foram definidas de acordo com o referencial local dos sismógrafos. A Figura 14 apresenta a localização dos dois ensaios realizados. Figura 14: Localização dos dois ensaios realizados 15

25 Dos registos de acelerações obtidos foram determinadas as correspondentes densidades espectrais de potência, com recurso a procedimentos baseados na transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT), que fornecem uma estimativa das funções de transferência nos graus de liberdade instrumentados. Com base no software GeoDAS 2.18 para a obtenção da transformada de Fourier, lista-se de seguida a sequência de operações efectuadas no tratamento dos sinais (Costa, 2002): Aplicação de filtros de Hanning a janelas temporais dos registos de aceleração como forma de contrariar o efeito de Leakage; Filtragem digital dos registos com um filtro pass-baixo regulado para 1/8 da frequência de amostragem de modo a contrariar o efeito de Aliasing e eliminar as componentes de frequência alta; Filtragem digital dos registos com filtro passa-alto regulado para 1 Hz; Correcção baseline para anulamento do valor residual médio do registo; Determinação da FFT Edifício Z2SE036 (Farmácia na Rua Paiva Coelho) Os registos foram efectuados nos pavimentos e segundo a localização e a ordem apresentada na Figura 15. Os dados recolhidos in situ permitiram determinar uma lista de frequências fundamentais associadas preferencialmente a cada direcção de vibração. SISM. LONG TRAN VERT Figura 15: Localização em planta das leituras realizadas com o sismógrafo e representação esquemática das direcções de leitura 16

26 Na Figura 16 apresentam-se os conteúdos espectrais em potência, obtidos a partir das acelerações medidas na parede do edifício Z2SE036. Note-se que nesta campanha de medição de acelerações foram realizadas 7 medições, expondo-se neste documento apenas os resultados mais relevantes a usar na futura calibração de um modelo estrutural. A partir dos valores de pico desses espectros estimaram-se frequências naturais da estrutura na zona de influência da parede sobre a qual foi feita cada medição. Figura 16: Transformada de Fourier das acelerações para os pontos de medição S7-S02 e S7-S01 As frequências de 15.7 Hz foram estimadas para as acelerações médias nas medições S7- S02 e S7-S01 na direcção transversal às paredes. Estas frequências estarão associadas a modos de vibração que envolvem o movimento transversal destas paredes (a energia associada à direcção transversal é mais importante do que nas outras duas direcções, no que respeita à identificação do modo) (Vicente, 2008). Na direcção longitudinal às paredes, foram estimadas frequências da ordem dos 7.2 Hz Edifício Z2SE054 (Edificio habitacional contíguo à Mundet) Seguindo o procedimento adoptado na Secção 4.1.1, os registos obtidos para o edifício Z2SE054 foram efectuados nos pavimentos e segundo a localização e a ordem apresentada na Figura 17. Uma vez mais, os dados recolhidos in situ permitiram determinar uma lista de frequências fundamentais associadas preferencialmente a cada uma das três direcções de vibração. 17

27 SISM. LONG TRAN VERT Figura 17: Localização em planta das leituras realizadas com o sismógrafo e representação esquemática das direcções de leitura Na Figura 18 apresentam-se os conteúdos espectrais em potência, obtidos a partir das acelerações medidas na parede do edifício. Figura 18: Transformada de Fourier das acelerações para os pontos de medição S3-S01 e S1-S02 18

28 Note-se que embora esta campanha de medição de acelerações tenha compreendido a realização de 4 medições, nesta secção apresentam-se apenas os resultados mais relevantes a usar na futura calibração de um modelo estrutural. A partir dos valores de pico desses espectros estimaram-se frequências naturais da estrutura na zona de influência da parede sobre a qual foi feita cada medição. As frequências de 9.0 Hz foram estimadas para as acelerações médias nas medições S3- S01 e S1-S02 na direcção transversal às paredes. Estas frequências estarão associadas a modos de vibração que envolvem o movimento transversal ao desenvolvimento da banda onde se encontra inserido o edifício (a energia associada à direcção transversal é mais importante do que nas outras duas direcções, no que diz respeito à identificação do modo) (Vicente, 2008). Na direcção longitudinal às paredes, foram estimadas frequências da ordem dos 17.1 Hz. 5. COMENTÁRIOS FINAIS Os ensaios realizados com macacos planos permitem retirar informação relativa às propriedades mecânicas das alvenarias para a análise estrutural, mesmo reconhecendo as limitações e cuidados necessários na interpretação de resultados. Os ensaios com macacos planos podem ser considerados um dos melhores ensaios semidestrutivos que permitem fazer medições sobre uma amostra não alterada com dimensões suficientes para representar o comportamento in situ do material. O nível de rigor obtido por um ensaio desta natureza é claramente compatível com a informação necessária para calibrar os modelos de análise e para apoiar as acções de reabilitação e reforço, pela definição de níveis de intervenção das várias técnicas de reforço das alvenarias. Considerase assim um teste simples e útil de custos associados reduzidos. No entanto, os ensaios de macacos planos requerem um determinado nível de perícia e experiência, já que muitas são as condicionantes e problemas que poderão influenciar a obtenção de resultados fiáveis. O ensaio permite avaliar uma fracção de parede até uma profundidade de 10cm, mas que não poderá ser representativa das propriedades da parede de uma forma global, isto é, no caso de paredes de constituição muito heterogénea, em que o interior da parede poderá ter propriedades significativamente diferentes das faces exteriores, não se verifica uma distribuição uniforme de tensões. Reconhece-se que seria necessário um maior número de ensaios para obter resultados mais fiáveis associados à morfologia, aspectos de assentamento das alvenarias estudadas e estado de conservação, bem como, para o estabelecimento de correlações entre as grandezas e propriedades resistentes, como o módulo de elasticidade, constituição (% pedra, argamassa e vazios), coeficiente de Poisson, etc. A catalogação das alvenarias, baseada na observação, é fundamental no contexto da reabilitação e reforço das paredes de alvenaria, registando, para além das suas características morfológicas, os valores das resistências mecânicas, os seus módulos de elasticidade, as configurações típicas de rotura e os mecanismos de fissuração. O conhecimento mais aprofundado constitui uma mais-valia em qualquer nível de avaliação 19

29 da vulnerabilidade sísmica e no auxílio de interpretação de danos e problemas estruturais. Esta campanha de ensaios revelou que existem muitas estruturas de alvenaria em boas condições e com capacidade resistente para as acções verticais, e forneceu informação acerca das suas características resistentes, podendo indicar valores de referência para utilização em acções de verificação da segurança sobre construções semelhantes. A campanha de ensaios de identificação dinâmica permitiu identificar as frequências fundamentais associadas a modos de vibração que envolvem o movimento transversal dos edifícios. Estes resultados são muito relevantes a usar na futura calibração de modelos numéricos que presentemente estão a ser desenvolvidos no âmbito de teses de mestrado. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM (1991a). In-situ compressive stress within solid unit masonry estimated using flat-jack measurements, ASTM Standard C ASTM (1991b). In-situ measurement of masonry deformability properties using the flatjack method, ASTM Standard C Binda, L.; Saisi, A.; Zanzi, L. (2003). Sonic tomography and flat-jack tests as complementary investigation procedures for the stone pillars of the temple of S. Nicolo l Arena (Italy); Journal NDT&E International, Vol. 36, pp CEN (2004). Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance Part 1: general rules, seismic actions and rules for buildings. European Committee for Standardisation, Brussels. CEN (2005). Eurocode 6: Part 1-1 General Rules for buildings Rules for reinforced and unreinforced masonry, European Committee for Standardisation, Brussels. Costa, C. (2002). Análise do Comportamento da Ponte da Lagoncinha sob a Acção do Tráfego Rodoviário. Tese de Mestrado em Estruturas. FEUP, Porto, Portugal. GeoSIG. (1999). GeoSIG GSR 12/16/18 Operation Manual. Switzerland. Lourenço, P.; Gregorczyk, P. (2003). Review on Flat-Jack Testing; Revista do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, No. 9, Guimarães. Macchi, G. (2005). Short Course on Structural Assessment of Heritage Buildings; Rose School, Pavia, 3th to 7th October. Noland, J.L.; Atkinson, R.H.; Schuller, M.P. (1990). A review of the flat-jack method for nondestructive evaluation; Proceedings Nondestructive evaluation of civil structures and materials, Boulder, USA, RILEM, LUM.D.2 (1990a). In-situ stress tests on masonry based on the flat jack. RILEM LUM.D.3 (1990b), In-situ strength/elasticity tests on masonry based on the flat jack. 20

30 Vicente, R. (2008). Estratégias e metodologias para intervenções de reabilitação urbana. Avaliação da vulnerabilidade e do rísco sísmico do edificado da Baixa de Coimbra. Universidade de Aveiro, Portugal. 21