A REABILITAÇÃO SÍSMICA DO PATRIMÓNIO CONSTRUÍDO

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1 A REABILITAÇÃO SÍSMICA DO PATRIMÓNIO CONSTRUÍDO S. Pompeu SANTOS Engenheiro Civil Investigador Coordenador LNEC, Lisboa SUMÁRIO Apresenta-se na comunicação uma abordagem integrada para a avaliação estrutural de construções antigas, com particular na ênfase para a questão da segurança relativamente à acção dos sismos. Discute-se a problemática da avaliação estrutural de construções antigas e analisam-se as soluções mais adequadas para a reparação e o reforço sísmico de construções antigas. 1. INTRODUÇÃO A questão da segurança sísmica de construções antigas é um assunto que está na ordem do dia, dado o interesse que a reabilitação do património construído tem, hoje em dia, a nível internacional, mas também em Portugal. De facto, a acção dos sismos é das que provoca efeitos mais devastadores sobre as construções, não só devido à intensidade elevada que muitas vezes apresenta, mas porque, em muitos casos, essa acção não foi tida em conta quando da construção, particularmente no caso das construções antigas de alvenaria., as quais constituem a parte mais significativa desse património. A grande questão é que as intervenções com vista à melhoria da segurança sísmica das construções antigas tendem a ser, dum modo geral, bastante intrusivas, podendo prejudicar o valor cultural da construção. A avaliação da segurança de uma construção antiga em relação à acção dos sismos é, no entanto, uma tarefa, em geral, bastante delicada, dada a dificuldade em modelar adequadamente a sua estrutura. Por outro lado, os códigos estruturais existentes, mesmo os Eurocódigos, foram preparados para o projecto de estruturas novas, pelo que a sua aplicação na avaliação estrutural de construções antigas tem de ser feita com adaptações.

2 958 SÍSMICA º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Na avaliação da segurança de construções antigas, nomeadamente tendo em vista a segurança em relação aos sismos, para além dos resultados da análise estrutural, deverão, assim, ser considerados outros elementos de informação de modo que essa segurança seja assegurada com intervenções pouco intrusivas, de modo a prejudicar o menos possível o valor cultural da construção. 2. PRINCIPIOS ORIENTADORES EM INTERVENÇÕES DE REABILITAÇÃO DO PATRIMÓNIO CONSTRUIDO No que diz respeito ao património construído, o lema é, hoje em dia: conservar e reabilitar (requalificar). No entanto, a sociedade atribui às construções antigas valor cultural, pelo que estas são vistas como património cultural. Em termos genéricos, o valor cultural associado a uma construção antiga é tanto maior quanto mais antiga ela for. O tipo de intervenção a realizar numa construção antiga deverá, por conseguinte, depender do valor cultural que lhe estiver associado. As intervenções de reabilitação estrutural de construções antigas, para serem bem sucedidas, tanto do ponto de vista técnico com cultural, deverão, assim, ser realizadas tendo por base certos princípios orientadores. A Carta de Veneza (1964), que é um documento de referência em matéria de reabilitação do património, defende a adopção de um conjunto de princípios, dos quais se destacam, pela sua importância, a garantia da segurança estrutural, o respeito pelo valor cultural da construção, a intervenção mínima e o custo mínimo. Na prática nem sempre é possível seguir estes princípios completamente à risca, havendo situações em que se podem mesmo contrariar. Por exemplo, a garantia da segurança estrutural entra muitas vezes em conflito com o respeito pelo valor cultural da construção. 3. AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA SISMICA DE CONSTRUÇÕES ANTIGAS 3.1. A questão da avaliação estrutural A avaliação estrutural de uma construção antiga tem em vista decidir se a sua segurança estrutural é aceitável, ou se é insuficiente face a um determinado quadro exigencial, normalmente o preconizado para as construções novas. A avaliação estrutural de uma construção antiga tem, normalmente, por base a análise estrutural do seu comportamento, em que, tal como se faz para as construções novas, através de certas hipóteses, são determinados e combinados os efeitos das acções nos diferentes pontos da estrutura, os quais são comparados com a sua resistência nesses pontos. No entanto, existem diferenças substanciais. Assim, por um lado, a modelação do comportamento das construções antigas é, em geral, bastante mais difícil que o das construções novas, particularmente no caso das construções de alvenaria, o que acontece devido a vários factores, tais como: i) a dificuldade em modelar adequadamente a constituição da sua estrutura; ii) as incertezas relativas às características dos materiais no conjunto da estrutura; iii) a nem sempre visível influência de fenómenos ou acontecimentos anteriores, bem como o imperfeito conhecimento das alterações e reparações realizadas no passado.

3 S. Pompeu SANTOS 959 No que se refere propriamente ao formato de verificação da segurança, existem também especificidades. De facto, nos regulamentos e códigos estruturais modernos as várias incertezas, tanto do lado das resistências como das acções, são tidas em conta através da aplicação de sucessivos coeficientes de segurança, conduzindo, na prática, a uma segurança elevada das construções. Esta abordagem é bem aceite pelas sociedades e é, de facto, apropriada para o projecto de construções novas, em que o aumento da segurança pode ser conseguido sem grande aumento das dimensões dos elementos estruturais e de custo. No entanto, no caso das construções antigas tal solução é inadequada, já que pode obrigar a intervenções de reabilitação muito intrusivas. Refira-se, ainda, que os coeficientes de segurança preconizados para o projecto de estruturas de construções novas têm em conta incertezas relacionadas com a própria construção, as quais, no caso das construções existentes, poderão ser reduzidas, uma vez que o seu comportamento pode, em certa medida, ser conhecido. Assim, uma eventual redução destes coeficientes de não significa necessariamente uma diminuição da segurança real da construção Nível de segurança das construções antigas Uma das questões fundamentais na avaliação estrutural de construções antigas é a definição do nível de segurança pretendido para a construção, tendo em conta as consequências que possam advir dos riscos assumidos. Atendendo aos condicionamentos atrás referidos, será, assim, de admitir uma diferenciação do nível de segurança relativamente às estruturas novas. No caso de construções antigas com elevado valor cultural o estabelecimento do nível de segurança poderá, inclusivamente, ser objecto de uma análise custo-benefício, em que o benefício será a eventual redução do risco, e o custo será a eventual redução no valor cultural da construção derivada da intervenção de reabilitação, bem como o custo da intervenção propriamente dita. De qualquer modo, o nível de segurança estrutural a estipular para uma dada construção antiga deverá ser sempre acordado com a autoridade competente. No entanto, mesmo adoptando para uma determinada construção antiga um nível de segurança idêntico ao preconizado para as estruturas novas, será, em princípio, sempre possível uma diferenciação (para menos) dos coeficientes de segurança parciais, tanto das resistências dos materiais como das acções, em função da presumível redução da incerteza associada a cada uma dessas variáveis. 4. INSPECÇÃO DA CONSTRUÇÃO Uma intervenção de reabilitação estrutural de uma construção antiga pressupõe sempre uma inspecção dessa construção. Essa inspecção é habitualmente realizada em duas fases: uma inspecção preliminar e uma inspecção detalhada. Designa-se habitualmente do por inspecção preliminar (ou qualitativa) de uma construção o levantamento da situação de patologia existente nessa construção Este levantamento é feito através da simples observação visual ou com o auxílio de equipamentos ou de ferramentas simples.

4 960 SÍSMICA º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Por sua vez, designa-se por inspecção detalhada (ou quantitativa) da construção a realização de ensaios e medições com vista à avaliação das características dos materiais constituintes da estrutura (resistência, etc.) e das características dinâmicas da própria estrutura, bem como à caracterização das anomalias estruturais mais significativas (deformações, etc.). Incluirá também, se necessário, o levantamento da geometria e constituição da construção, com vista à sua modelação. A avaliação das características dos materiais estruturais é habitualmente feita retirando amostras de certas zonas da estrutura (carotes, no caso de elementos de alvenaria ou de betão; pequenos troços de elementos estruturais, no caso de elementos de aço ou de madeira; e troços de varões, no caso de elementos de betão armado), e realizando ensaios de provetes dessas amostras em laboratório: ensaios mecânicos (resistência à compressão, à tracção, etc.), químicos (composição química, etc.) e mineralógicos (composição mineralógica, etc.). 5. MODELAÇÃO DA ESTRUTURA DA CONSTRUÇÃO 5.1. Generalidades A modelação do comportamento das estruturas das construções antigas utiliza as metodologias habituais da análise estrutural em que, admitindo certas hipóteses (resposta elástica linear, modelos não lineares, etc.), se procura obter informação sobre os estados de tensão existentes, ou que podem ser produzidos, nos diferentes elementos da estrutura. Refira-se no entanto, que, em face das simplificações que é em geral necessário introduzir na representação do funcionamento das estruturas antigas, bem como do eventual desconhecimento quanto às características reais dos materiais, os resultados obtidos serão, em princípio, sempre menos fiáveis que no caso das estruturas novas. Na modelação da estrutura de uma construção antiga é preciso ter em conta as suas especificidades em três aspectos fundamentais: esquema estrutural, características dos materiais e quantificação das acções Esquema estrutural Na concepção do esquema (ou esquemas) estruturais da construção deve procurar-se que, por um lado, representem adequadamente o comportamento da estrutura e os fenómenos que lhe estão associados e, por outro, tornem possível a aplicação das ferramentas de cálculo mais disponíveis. Embora em certas situações possam ser usados apenas modelos simplificados, baseados, por exemplo, em simples condições de equilíbrio estático, hoje em dia, a análise estrutural de construções antigas, nomeadamente quando sujeitas à acção de sismos, é feita com base em modelos sofisticados, normalmente com o recurso a programas de cálculo automático, através de malhas de elementos finitos apropriados à representação do comportamento dos diversos elementos estruturais. Refira-se, no entanto, que as análises através de modelos complexos, além de dispendiosas em termos de preparação de dados e de apreciação dos resultados obtidos, exigem grande experiência e intuição sobre o comportamento das estruturas. Assim, estes resultados deverão

5 S. Pompeu SANTOS 961 ser sempre calibrados com os obtidos com modelos simplificados para avaliar da sua consistência. A elaboração dos esquemas estruturais deverá ser com base no levantamento da construção, bem como do da sua envolvente, tal como se referiu atrás. Se estiverem disponíveis, poderão também ser usados elementos de informação já existentes sobre a construção (memórias, desenhos, fotos, etc.), embora deva ser feita a sua confirmação, pelo menos parcial, destes dados. Outro aspecto importante a ter em conta na concepção dos esquemas estruturais é a possibilidade de o funcionamento da estrutura ter sofrido alterações ao longo do tempo, as quais podem escamotear a distribuição dos esforços. No caso de estruturas muito pesadas será também conveniente ter em conta a sequência de carregamento durante a construção. Na modelação de estruturas complexas não deverá, no entanto, ser usado um esquema estrutural único, mas deverão ser usados esquemas alternativos ou complementares uns dos outros. É preciso ter presente, no entanto, que, esquemas estruturais diferentes poderão conduzir a resultados com valores substancialmente diferentes no mesmo elemento estrutural. Se tiverem sido realizados ensaios in-situ de determinação das características dinâmicas da estrutura (frequências próprias, amortecimentos, etc.), os resultados obtidos poderão ser comparados com os valores obtidos através da modelação, o que permitirá ajudar a afinar a modelação da estrutura Características dos materiais As características dos materiais estruturais deverão ser obtidas a partir dos resultados de ensaios apropriados realizados na construção, como se referiu atrás. Poderão também ser estabelecidas a partir de bases de dados conhecidas, mas nesse caso deverão ser usadas com grandes reservas. Os resultados obtidos dos ensaios realizados deverão permitir quantificar os valores característicos das propriedades dos materiais estruturais. Serão de admitir, em geral, distribuições normais, pelo que o valor característico será, em princípio, obtido a partir do valor médio, tendo em conta o coeficiente de variação e a dimensão da amostra. No entanto, como a amostragem é, em geral, pouco extensa, um critério, por vezes adoptado, consiste em considerar como valor característico o valor mínimo da amostra. Deverão existir, em qualquer caso, pelo menos dois valores. Quanto aos coeficientes de segurança parciais dos materiais deverão estar relacionados com a incerteza associada à determinação dos valores característicos das resistências. Embora dependam da qualidade da informação usada, uma vez que os valores reais são já conhecidos, poderão, em geral, ser adoptados valores inferiores aos preconizados no projecto de estruturas novas, sendo recomendáveis valores da ordem de 1,1 para os aços, de 1,2-1,3 para os betões e para as madeiras, e de 1,3-1,5 para as alvenarias.

6 962 SÍSMICA º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica 5.4. Quantificação das acções As cargas permanentes (pesos próprios, etc.) deverão em princípio ser obtidas a partir do levantamento da geometria e da constituição da construção. Elementos de informação já existentes (desenhos, etc.) poderão também ser úteis, mas deverão ser usados com reservas. Quanto à acção dos sismos será, em princípio, quantificada do mesmo modo que no projecto de estruturas novas. Em certos casos, poderá, no entanto, ser admitido como período de referência um período de tempo bastante inferior ao adoptado no projecto de estruturas novas, permitindo assim reduzir o valor da acção. Em certas situações poderá também ser possível realizar um zonamento localizado da acção sísmica, o que poderá também, eventualmente, permitir reduzir o valor dessa acção. Quanto aos coeficientes de comportamento a adoptar no caso de análises sísmicas lineares, deverão ser estabelecidos tomando como padrão os valores preconizados na regulamentação para o projecto de estruturas novas, tendo em conta o lay-out especifico da estrutura antiga. No caso de construções de alvenaria, por exemplo, dependendo das características mecânicas dos blocos e da argamassa usados, bem como da eventual presença de elementos de ligação metálicos, são recomendados valores da ordem de 1,5-2,0. No caso dos edifícios de gaiola pombalina, por exemplo, em face da excelente ductilidade exibida pela gaiola, poderá ser adoptado um valor superior, da ordem de 2,0-2,5, dependendo da proporção de paredes de gaiola no conjunto das paredes do edifício. Quanto aos coeficientes de segurança parciais das acções deverão, em princípio, usados os valores preconizados na regulamentação para o projecto de estruturas novas, embora nalguns casos possam também ser admitidos valores inferiores. No caso das cargas permanentes, por exemplo, poderá, em princípio, ser adoptado um coeficiente de segurança inferior ao preconizado para as estruturas novas, particularmente se tiverem sido obtidas a partir do levantamento exaustivo da construção, caso em que são recomendados valores da ordem de 1,2. 6. DECISÃO QUANTO AO TIPO DE INTERVENÇÃO A avaliação da segurança estrutural de uma construção antiga será, em princípio, feita, tal como se faz para as estruturas novas, comparando os valores de cálculo das resistências dos materiais com os valores de cálculo dos efeitos das acções em cada ponto da estrutura. Conforme foi referido atrás, os resultados da modelação das estruturas das construções antigas não são contudo em geral tão fiáveis como no caso das construções novas, pelo que deverá ser avaliada a consistência desses resultados com o estado em que a construção realmente se encontra, particularmente no que se refere à eventual existência de danos. Nos casos em que não se verificar uma consistência evidente, a decisão quanto à efectiva segurança estrutural da construção não deverá ser obtida apenas a partir dos resultados da sua modelação, mas deverá ser feita uma avaliação integrada, em que serão considerados outros elementos de informação, nomeadamente a própria história da construção, bem como os resultados da observação visual da construção.

7 S. Pompeu SANTOS 963 De facto, o conhecimento do passado de uma construção pode ajudar a prever o seu comportamento no futuro. A história é, sem dúvida, um laboratório muito potente e completo já que mostra como o tipo de estrutura, os materiais usados, as ligações entre elementos, os acrescentos e alterações introduzidas foram reagindo ao longo do tempo a eventos especiais (cargas excessivas, variações de temperatura, sismos, etc.), permitindo assim fazer extrapolações para o futuro. Por outro lado, a condição de uma construção pode também ser avaliada por comparação com a de construções idênticas cujo comportamento foi já avaliado. Assim, tendo-se observado o comportamento de construções com variados estados de degradação e danos provocados por diferentes fenómenos (assentamentos de fundação, sismos, etc.), e tendo-se feito a avaliação da sua segurança, é possível, a partir da observação da construção em causa, extrapolar esse conhecimento na avaliação da segurança estrutural dessa construção. Deverá ser assim, da análise conjunta de todos os elementos de informação, em que os aspectos quantitativos e qualitativos são comparados, combinados e ponderados que se pode obter o melhor julgamento sobre a segurança estrutural da construção. Se desta avaliação não for possível tirar conclusões claras quanto à eventual falta de segurança da estrutura ou de alguns dos seus elementos, será sempre preferível não intervir de modo a manter o mais possível o valor cultural da construção. Além disso, o custo da intervenção será reduzido. Refira-se, no entanto, que no relatório da avaliação estrutural da construção deverão ser apresentadas todas as considerações e justificações para as opções e decisões tomadas. Apresenta-se na Figura 1 um fluxograma simplificado das acções a desenvolver na avaliação estrutural de uma construção antiga. 7. SOLUÇÕES DE REABILITAÇÃO SÍSMICA DE CONSTRUÇÕES ANTIGAS 7.1. Projecto de reabilitação O projecto de execução da reabilitação de uma construção antiga deverá apresentar uma estrutura semelhante ao de uma construção nova, sendo constituído por um conjunto de peças escritas e desenhadas, com vista à execução dos trabalhos. Para além das propostas de soluções, deverá ser incluída uma especificação muito cuidada da realização de cada trabalho, nomeadamente dos equipamentos e materiais utilizados, bem como das respectivas condições de aplicação. No caso de construções que continuam a ser utilizadas durante a execução dos trabalhos, tal situação deverá também ser tida devidamente em conta. Deverá também ser incluída uma estimativa do custo de cada trabalho, estabelecida de forma realista. As soluções de reparação ou reforço de construções antigas são muito variadas, dependendo do tipo de patologia que se procura corrigir, nomeadamente se se trata da reparação da degradação dos materiais ou da reparação dos efeitos de acções mecânicas, ou ainda de intervenções com vista à melhoria da segurança contra a acção dos sismos.

8 964 SÍSMICA º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Figura 1: Fluxograma das acções a desenvolver na avaliação estrutural de construções antigas A escolha das soluções deverá, assim, ser devidamente justificada e ser objecto de análises custo-benfício, tendo em vista a sua eficácia ao mais baixo custo possível, respeitando também, o mais possível, os outros princípios referidos atrás, particularmente o respeito pelo valor cultural da construção Soluções de intervenção A melhoria da segurança das construções contra os sismos pode ser conseguida intervindo ao nível de um (ou dos dois) dos componentes do binómio: resistência/ductilidade da construção. O grande problema é que estas intervenções são, dum modo geral, bastante intrusivas. Existem contudo algumas medidas de intervenção relativamente simples que, se forem adoptadas, podem melhorar significativamente a segurança contra os sismos, como sejam a instalação de dispositivos que assegurem uma efectiva ligação entre os diversos elementos da construção, particularmente das paredes entre si e aos pavimentos (diafragmas, tirantes, etc.), de modo a garantir o chamado efeito de caixa (Figura 2). Por vezes estas ligações são realizadas através da execução de montantes e lintéis de betão armado, o que constitui, contudo, uma solução já um pouco intrusiva.

9 S. Pompeu SANTOS 965 a) Com tirantes b) Com dispositivos especiais Figura 2: Ligações entre elementos estruturais Quanto a intervenções profundas, uma possibilidade consiste em eliminar as irregularidades existentes na construção, nomeadamente, quanto à distribuição da rigidez, da resistência ou da massa, o que só é, contudo, em geral, possível no caso de construções sem grande valor cultural. Em qualquer caso, o não aumento da massa ou mesmo a sua redução, é sempre benéfico para o comportamento da construção. No caso de construções cujos elementos críticos sejam passíveis de reforço, a solução indicada será o reforço local desses elementos. Nos casos em que os elementos críticos não apresentem suficiente ductilidade, uma solução possível consiste em introduzir na construção elementos adicionais de grande rigidez, tais como paredes resistentes ou elementos diagonais de contraventamento (Figura 3a), normalmente em betão armado, o que constitui, no entanto, uma solução, em geral, bastante intrusiva. Para obviar a esta questão, existe a alternativa de criar um sistema resistente adicional, autónomo, em estrutura metálica, por exemplo, que é ligado à construção existente, de modo a funcionarem em conjunto sob a acção dos sismos. Em qualquer destes casos poderá também ser necessário o reforço das fundações existentes da construção, ou a criação de elementos de fundação adicionais. Em certas situações, em particular no caso de construções de grande importância, poderá ser adequado o isolamento da construção através da colocação de apoios dissipadores nas suas fundações (Figura 3b). Noutros casos são colocados amortecedores visco-elásticos na ligação entre partes da estrutura. Construções que se encontram encostadas umas às outras, formando quarteirões, por exemplo, deverão ser tratadas como um conjunto, já que o comportamento sísmico de cada uma vai depender desse comportamento conjunto, embora as consequências para cada uma delas possam ser, obviamente, bastante diferentes.

10 966 SÍSMICA º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica a) Com elementos estruturais adicionais b) Com isolamento da estrutura Figura 3: Soluções especiais 8. CONCLUSÕES Conforme foi referido atrás, a avaliação estrutural de uma construção com vista a uma intervenção de reabilitação sísmica deverá ser feita de forma integrada, em que são considerados elementos de informação quantitativos, obtidos da análise estrutural, bem como elementos de informação subjectivos relacionados com a história da construção ou obtidos da inspecção da construção. Os resultados da análise estrutural serão sempre elementos fundamentais, mas não deverão ser decisivos, particularmente nos casos em que não sejam facilmente conclusivos quanto a uma efectiva falta de segurança da construção, ou quando os resultados dessa análise não sejam consistentes com o efectivo estado da construção. Na modelação do comportamento da estrutura sob as acções actuantes, nomeadamente para actuação de sismos, poderá, todavia, ser feita, tal como se faz no projecto de estruturas novas, comparando os valores de cálculo dos esforços actuantes com os esforços resistentes nos diversos elementos estruturais. Deverão, no entanto, ser consideradas as especificidades resultantes do facto de se tratar de construções já existentes, o que reduz as incertezas relacionadas com a construção, permitindo, assim, em geral, reduzir os valores dos coeficientes parciais de segurança. Refira-se finalmente que as intervenções de reabilitação estrutural do património construído, deverão constituir uma combinação de técnica e de cultura. Deverão, assim, ser realizadas por equipas multidisciplinares sob a direcção de especialistas com grande capacidade técnica e sensibilidade cultural. As equipas de inspecção, projecto e construção deverão, por sua vez ser formadas por técnicos qualificados, com formação específica nestas áreas. Em particular, o engenheiro projectista das estruturas, para além de grande capacidade técnica, deverá possuir grande sensibilidade para os aspectos culturais do património construído.