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

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1 Estimativa do Impacto no Projeto de Edificações da Proposta de Norma Brasileira de Sismos Evaluation of the Impact in the Design of Buildings of the Proposed Brazilian Seismic Standard Resumo Sergio Hampshire de Carvalho Santos (1); Silvio de Souza Lima (2) (1) Professor Adjunto, Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro (2) Professor Adjunto, Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia, Bloco D, Sala D25, Ilha do Fundão, RJ, RJ, CEP: A elaboração da primeira Norma Brasileira de Sismos se alinha com a necessidade da modernização das Normas Brasileiras de projeto estrutural, possibilitando que estas Normas encontrem um maior reconhecimento internacional. Ela também vem responder a uma realidade tecnológica inconteste, que é a de que os efeitos sísmicos nas estruturas não podem ser desconsiderados no Brasil. Apesar da maior parte do nosso território encontrar-se em região de baixa sismicidade, em algumas áreas do Brasil se evidencia um potencial sísmico considerável. A proposta de Norma se baseia nos dados sismológicos disponíveis e no tratamento estatístico e probabilístico destes dados. É natural que exista, dentro de nossa comunidade técnica, uma reação com relação aos impactos decorrentes da aplicação de novos procedimentos de cálculo e do eventual aumento no custo das construções. A extensão destes impactos é discutida neste trabalho, a partir de análises comparativas dos efeitos dos sismos com os de vento em edifícios. São estudados edifícios em várias cidades do Brasil, com diferentes relações entre as solicitações de vento e sismo e para várias condições de solo, assim como para diversas relações entre área exposta ao vento/ massas por andar dos edifícios. Os diversos exemplos são analisados através de procedimento automático para análise sísmica disponível no sistema SALT - UFRJ. Uma estimativa dos possíveis impactos devidos ao efeito dos sismos é desenvolvida, a partir destas análises. Palavra-Chave: análise sísmica, normalização, estruturas de concreto Abstract The elaboration of the first Brazilian Seismic Standard is aligned with the necessity of the modernization of the Brazilian standards for the structural design, allowing them to find a greater international reputation. It will also answer to an indisputable technological reality, that the seismic effects in the structures cannot be disregarded in Brazil. Although most of the Brazilian territory is located in a region of low seismicity, in some of the Brazilian areas a non negligible seismic potential is evident. The proposed Standard is based on the seismological data now available and on the statistical and probabilistic treatment of these data. It is to be expected a reaction in our technical community, concerned with impacts related to the application of new design procedures and to the eventual increase in the construction costs. The extension of this impact is discussed in this paper, from the results of comparative analyses of the seismic and wind effects in buildings. Buildings in several Brazilian cities are studied, with different relationships between seismic and wind actions, for several soil conditions, as well as for several relationships between wind exposed area/ floor masses in the buildings. The several examples are analyzed using the automatic procedures for the seismic analysis available in the System SALT-UFRJ. An evaluation of the possible impacts due to the seismic effects is developed, from these analyses. Keywords: seismic analysis, standardization, concrete structures ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 1

2 1 Introdução Com a necessidade premente da modernização das Normas Brasileiras de projeto estrutural, a nossa comunidade técnica depara-se com o desafio da elaboração da primeira Norma Brasileira de projeto sísmico de estruturas. A elaboração deste documento se alinha com a necessidade de que nossas Normas continuem a evoluir no sentido de um maior reconhecimento internacional e também vem responder a uma realidade tecnológica inconteste, que é a de que os efeitos sísmicos nas estruturas não podem ser desconsiderados no Brasil. A proposta da ABNT (26) de Norma Brasileira de Sismos considera que a maior parte do território brasileiro encontra-se em região de baixa sismicidade, mas também que em algumas áreas do Brasil se evidencia um potencial sísmico considerável. A formulação desta proposta de Norma se baseou nos dados sismológicos hoje disponíveis e no tratamento estatístico e probabilístico destes dados. É natural que exista, dentro de nossa comunidade técnica, uma preocupação com relação aos impactos que esta nova normalização trará, do ponto de vista dos procedimentos de cálculo e do custo das construções. Este trabalho pretende oferecer uma contribuição para esta discussão, através dos resultados de algumas análises comparativas dos efeitos dos sismos com os de vento em edifícios. As análises se desenvolvem para edifícios em várias cidades do Brasil, com diferentes relações entre as solicitações básicas de vento e sismo; para várias condições de solo, que condicionam a resposta ao sismo; e para várias relações entre área exposta ao vento/ massas por andar dos edifícios, que também condicionam as respostas relativas para vento e sismo. Os diversos exemplos são analisados através de procedimento automático para análise sísmica disponível no SALT UFRJ (25), Sistema de Análise de Estruturas, desenvolvido na Escola Politécnica da UFRJ. 2 Sismicidade do Brasil O território Brasileiro apresenta baixa sismicidade, típica de uma região intra-placas tectônicas. O estudo da sismicidade no Brasil, com base científica, começou nos anos 7. Desde esta década, dados sismológicos começaram a ser coletados, a partir de uma importante rede sismológica que foi implantada e que está no momento em operação contínua. Um estudo completo da sismicidade no território brasileiro não foi, no entanto, ainda concluído. Um estudo de risco sísmico, a nível mundial, foi realizado pelo GFZ-POTSDAM (1999), e está apresentado em seu "Global Seismic Hazard Map". Este estudo é considerado pelo U.S. Geological Survey (26) no Seismic Hazard Map of South America", que é reproduzido na Figura 1. Pode ser visto neste mapa, que o território brasileiro apresenta uma sismicidade muito baixa, com acelerações horizontais características normalmente inferiores a,4 m/s 2. Exceções a serem observadas são alguns estados do Nordeste, devido a sua posição com relação à falha do Atlântico Central, e a parte oeste das Regiões Norte e Centro- Oeste, devido à sua proximidade com a Cordilheira dos Andes. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 2

3 Figura 1 Sismicidade da América do Sul de acordo com o USGS (26) ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 3

4 Um estudo recente de FALCONI (23) analisou normas de projeto de seis países sulamericanos (o Brasil não está incluído neste estudo). A partir desta análise, SANTOS e SOUZA LIMA (24), considerando inclusive a continuidade geográfica dos países vizinhos, consolidaram um mapa de sismicidade da América do Sul, reproduzido na Figura 2. As acelerações deste mapa correspondem a um período de recorrência de 475 anos (ou seja, à probabilidade de 1% de ultrapassagem em 5 anos). 3 Aspectos da Norma Brasileira de Sismos 3.1 Aspectos Sismológicos Considerando o exposto, a ABNT (26) propõe o zoneamento sísmico para o Brasil apresentado na Figura 3. Nesta proposta foram também consideradas as análises probabilísticas de ALMEIDA (22) e de SANTOS e SOUZA LIMA (24), assim como outras análises ainda não publicadas para a Região Nordeste. Estes estudos respaldam os valores propostos na Norma de Sismos para a Região Sudeste, estimando nesta região, para o período de recorrência T M de 475 anos, uma aceleração característica de: a g =,17 g's 3.2 Bases Normativas Considera-se como base normativa fundamental a NBR 8681, Norma Brasileira de Ações e Segurança nas Estruturas, da ABNT (23). Nos aspectos relativos à resistência sísmica, foi tomada como base a norma ASCE/SEI 7-5 (25). A combinação básica de cálculo, segundo a NBR 8681 é dada por: E = 1,2 E + 1, E + 1, E (Equação 1) d g q exc Nesta equação, E d, E g, E q e E exc são, respectivamente, o valor numérico de uma determinada solicitação de cálculo e as parcelas respectivamente devidas às cargas permanente, acidental e sísmica nesta solicitação. 3.3 Zoneamento Sísmico e Categorias Sísmicas A Norma estabelece, conforme a Tabela 1 a seguir, cinco Zonas Sísmicas e três Categorias Sísmicas para as estruturas, estando estas correlacionadas com os valores das acelerações horizontais características a g definidas na Figura 3. Tabela 1 - Zoneamento Sísmico e Categorias Sísmicas Zona Sísmica Categoria Sísmica Valores de a g A a g =,25g 1,25g a g,5g 2 B,5g a g,1g 3 C,1g a g,15g 4 a g =,15g ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 4

5 Figura 2 Sismicidade da América do Sul ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 5

6 Figura 3 Zoneamento sísmico para o Brasil ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 6

7 3.4 Critérios para a Análise Sísmica Para as estruturas de Categoria Sísmica A, na Zona Sísmica, nenhuma verificação quanto à resistência sísmica é exigida. Para as estruturas em Zona Sísmica 1, uma verificação simplificada é admitida. O sismo é considerado pela consideração da aplicação simultânea a todos os pisos, em cada uma das direções ortogonais, de cargas horizontais iguais a 1% dos pesos permanentes nos pisos. Para as estruturas de Categoria Sísmica B ou C, é permitida a análise sísmica por um processo aproximado, o das forças horizontal equivalentes, aqui descrito brevemente, ou por um processo mais rigoroso, como a análise espectral ou análise por históricos de aceleração no tempo. 3.5 Análise pelo Método das Forças Horizontais Equivalentes Na aplicação do método das forças horizontais equivalentes, avalia-se a força horizontal total na base da estrutura, de acordo com a expressão: H = C s W. (Equação 2) Nesta equação, C s é o coeficiente de resposta sísmica, definido a seguir, W é o peso total da estrutura, correspondente às cargas permanentes, e g é a aceleração da gravidade. O coeficiente de resposta sísmica é definido como: 2,5.( a gs / g ) C s = (Equação 3) ( R / I ) O coeficiente de resposta sísmica não precisa ser maior que o valor: (a gs 1 / g ) C s = (Equação 4) T ( R / I ) As grandezas a gs e a gs1, acelerações espectrais para os períodos de,s e 1,s, já considerando o efeito da amplificação sísmica no solo, são definidas como: a gs = C a = C gs1 a. a. a v g g (Equação 5) (Equação 6) Nestas equações, a g é a aceleração horizontal característica, conforme definido na Figura 3, e os coeficientes C v e C a, de amplificação sísmica no solo são definidos na Tabela 2, em função do perfil do subsolo local e da aceleração característica de projeto a g. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 7

8 Tabela 2 - Fatores de Amplificação Sísmica no Solo Classe do terreno Designação da C a C v Classe do Terreno a g,1g a g =,15g a g,1g a g =,15g A Rocha sã,8,8,8,8 B Rocha 1, 1, 1, 1, C Rocha alterada ou 1,2 1,2 1,7 1,7 solo muito rígido D Solo rígido 1,6 1,5 2,4 2,2 E Solo mole 2,5 2,1 3,5 3,4 Para valores de,1g a g,15g os valores de C a e C v podem ser obtidos por interpolação linear. Para aplicação nas equações 3 e 4, o período natural da estrutura (T) pode ser obtido pela expressão aproximada abaixo, em função da altura total h n do edifício: x T. h n T = C (Equação 7) Nos exemplos que serão apresentados, os coeficientes desta equação são C T =,466 e x =,9 (caso em que as forças sísmicas são 1% resistidas por pórticos de concreto). O parâmetro I é o fator de importância de utilização; para as edificações usuais I = 1,. O parâmetro R é o coeficiente de modificação de resposta, que considera a capacidade de deformação inelástica da estrutura no regime não linear. Nos exemplos, se considera R=3 (aplicável a sistemas resistentes a forças horizontais constituídos de pórticos de concreto armado detalhados de forma usual). O valor mínimo que pode ser considerado para C s é igual a C s =,1. A força horizontal total na base H é distribuída verticalmente entre as várias elevações da estrutura de forma que, em cada elevação x, seja aplicada força F x : F x = C.H (Equação 8) vx C vx é o coeficiente de distribuição vertical dado por: C w h k x x vx = n (Equação 9) k w ihi i= 1 onde w i e w x são as parcelas do peso efetivo total que correspondem às elevações i ou x; h i e h x são as alturas entre a base e as elevações i ou x; k é o expoente de distribuição: para estruturas com período próprio inferior a,5 s, k = 1; para estruturas com períodos próprios entre,5 s e 2,5 s, k = (T + 1,5)/2; para estruturas com período próprio superior a 2,5 s, k = 2. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 8

9 3 Estudo Comparativo entre Vento e Sismo Um estudo comparativo é aqui apresentado, com a avaliação dos efeitos globais de forças sísmicas e de vento, em prédios de diversas alturas (com número de pavimentos variando entre 1 e 5), localizados em diversas cidades no Brasil. São analisadas duas situações extremas (Edifícios Tipo A e B, conforme mostrado na Figura 4) para as relações entre área exposta ao vento/ massas por andar dos edifícios e diversas condições do solo. Os pés-direitos de cada pavimento são iguais a 3m. Os dados considerados foram: Edifício Tipo A Dimensões em planta: 12m x 2m Carga por metro quadrado: 8 kpa Edifício Tipo B Dimensões em planta: 2m x 2m Carga por metro quadrado: 12 kpa As cargas de vento consideradas estão de acordo com a NBR-6123 (1988), com fatores S 1 e S 3 (topográfico e probabilístico) tomados iguais a 1,. Tabela 3 Cidades analisadas no estudo comparativo Cidade Velocidade característica do vento (V k ) m/s Acelerações sísmicas características a g (g s) Rio Branco 3,,1 Porto Velho 3,,1 Corumbá 4,,1 Edifício Tipo A Edifício Tipo B Figura 4 Esquema em planta dos prédios analisados Os processamentos são realizados com o sistema SALT-UFRJ (25). Os resultados obtidos são apresentados nas Figuras 5 a 16: forças horizontais e momentos fletores totais nas bases dos prédios para as diversas situações analisadas. Nestes exemplos, somente em Rio Branco (localizada na Zona Sísmica 3, com resultados apresentados para as Classes de Terreno A a E), se verifica que as forças cortantes e momentos fletores globais de sismo são claramente superiores aos de vento; também em Porto Velho, em algumas situações, os efeitos do sismo podem suplantar os efeitos do vento. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 9

10 FORÇAS CORTANTES (KN) EDIFÍCIO "A" - COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS SISMO Figura 5 Cidade de Corumbá Edifício A - Comparação entre esforços cortantes globais 6 MOMENTOS FLETORES (KN.M) EDIFÍCIO "A" - COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS SISMO Figura 6 Cidade de Corumbá Edifício A - Comparação entre momentos fletores globais ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 1

11 FORÇAS CORTANTES (KN) EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS SISMO Figura 7 Cidade de Corumbá Edifício B - Comparação entre esforços cortantes globais 6 MOMENTOS FLETORES (KN.M) EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS SISMO Figura 8 Cidade de Corumbá Edifício B - Comparação entre momentos fletores globais ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 11

12 FORÇAS CORTANTES (KN) EDIFÍCIO "A"- COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS SISMO Figura 9 Cidade de Porto Velho Edifício A - Comparação entre esforços cortantes globais 3 MOMENTOS FLETORES (KN.M) EDIFÍCIO "A" - COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS SISMO Figura 1 Cidade de Porto Velho Edifício A - Comparação entre momentos fletores globais ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 12

13 FORÇAS CORTANTES (KN) EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS SISMO Figura 11 Cidade de Porto Velho Edifício B - Comparação entre esforços cortantes globais 3 MOMENTOS FLETORES (KN.M) EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS SISMO Figura 12 Cidade de Porto Velho Edifício B - Comparação entre momentos fletores globais ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 13

14 FORÇAS CORTANTES (KN) SISMO-A SISMO-B SISMO-C SISMO-D SISMO-E EDIFÍCIO "A"- COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS Figura 13 Cidade de Rio Branco Edifício A - Comparação entre esforços cortantes globais 3 MOMENTOS FLETORES (KN.M) EDIFÍCIO "A"- COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS SISMO-A SISMO-B SISMO-C SISMO-D SISMO-E Figura 14 Cidade de Rio Branco Edifício A - Comparação entre momentos fletores globais ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 14

15 45 FORÇAS CORTANTES (KN) SISMO-A SISMO-B SISMO-C SISMO-D SISMO-E EDIFÍCIO "B" - COMPARAÇÃO ENTRE CORTANTES GLOBAIS Figura 15 Cidade de Rio Branco Edifício B - Comparação entre esforços cortantes globais 5 MOMENTOS FLETORES (KN.M) EDIFÍCIO "B"- COMPARAÇÃO ENTRE MOMENTOS GLOBAIS SISMO-A SISMO-B SISMO-C SISMO-D SISMO-E Figura 16 Cidade de Rio Branco Edifício B - Comparação entre momentos fletores globais ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 15

16 5 Conclusões Neste trabalho foi apresentado um resumo da nova Norma Brasileira de Sismos que está sendo proposta pela ABNT. Foram apresentados os aspectos sismológicos e normativos que servem como base a esta Norma. Foi apresentado um estudo comparativo entre os efeitos de vento e de sismo para diversas cidades do Brasil. Foi mostrado que em algumas situações nas Zonas Sísmicas 1, 2, 3 e 4, os efeitos das forças sísmicas poderão ser mais críticos do que os efeitos devidos ao vento. 6 Referências ALMEIDA, A. A. D.. Análise Probabilística de Segurança Sísmica de Sistemas e Componentes Estruturais. Tese de Doutorado. PUC/Rio de Janeiro, 22. AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEEERS (ASCE). ASCE/SEI 7-5 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. United States, 25. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6123 Forças devidas ao vento em Estruturas. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Projeto 2: Projeto de estruturas resistentes a sismos - Procedimento. Rio de Janeiro, 26 (em elaboração). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 8681 Ações e Segurança nas Estruturas - Procedimento. Rio de Janeiro, 23. FALCONI R. A.. Espectros Sísmicos de Riesgo Uniforme para Verificar Desempeño Estructural en Países Latinoamericanos. XI Seminario Iberoamericano de Ingeniería Sísmica, Mendoza, Argentina, 23. GEOFORSCHUNGSZENTRUM-POTSDAM. Global Seismic Hazard Map. In: (1999). SALT-UFRJ. Sistema de Análise de Estruturas - Manual do Usuário. Serviço de Publicação da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 25. SANTOS, S. H. C.; SOUZA LIMA, S. Estudo da Zonificação Sísmica Brasileira Integrada em um Contexto Sul-Americano. XVIII Jornadas Argentinas de Ingeniería Estructural, Buenos Aires, 24. UNITED STATES GEOLOGICAL SURVEY (USGS). Seismic Hazard Map of South America. In: (26). ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC26-48CBC13 16