Porque é que alguns edifícios não caem?

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1 A ação dos sismos sobre os edifícios Porque é que alguns edifícios não caem? Curso de Engenharia Civil: Turma 1, Grupo 2 André Maia, Diniz Rosas, Edgar Barbosa, João Sousa, Miguel Peixoto, Márcio Oliveira e Paula Vieira

2 A ação dos sismos sobre os edifícios: Porque é que alguns edifícios não caem? André Maia Diniz Rosas Edgar Barbosa João Sousa Márcio Oliveira Miguel Peixoto Paula Vieira

3 Resumo Os sismos são abalos naturais da crosta terrestre que ocorrem num tempo restrito num determinado local, que podem resultar muitas vezes em grandes danos em várias cidades e vilas. O território português, devido à sua posição geográfica, tem um risco sísmico elevado, mas não está preparado para um grande sismo. Neste relatório, vamos explicar como se consegue estar pronto para este tipo de catástrofes. Primeiro, devemos analisar porque os edifícios caem e quais as condicionantes de construção (pois, por exemplo, construir num solo arenoso é diferente do que construir num solo rochoso) para podermos seleccionar as melhores soluções anti-sísmicas. Assim, dependendo do tipo de edifício que queremos construir, há métodos, regras e dispositivos que devemos seguir (até damos o exemplo de um edifício nos Estados Unidos onde essas regras foram aplicadas), mas os edifícios já construídos também têm soluções de reforço, para não ter de se demolir e voltar a construir. Rapidamente se conclui que Portugal não está pronto para sofrer um sismo de grande magnitude e que deveria de seguir estas regras e métodos para salvar milhares de vidas. 2

4 Palavras-Chave Terramotos Edifícios Ação Colapso Robustez Resistência Liquefação Amortecedores Contrapeso Cimento Aço Maçonaria Contraventamento 3

5 Índice Agradecimentos... 5 Lista de Imagens... 6 I - Introdução... 7 I.1 O que é um sismo?... 7 I.1.1 Situação em Portugal... 7 II Como proteger os edifícios II.1 Porque é que alguns edifícios caem durante um sismo? II.2 Condicionantes na construção de um edifício II.2.1 Materiais II.2.2 Solos II.3 Edifícios Novos II.3.1 Processos Construtivos II.3.2 Regras e dispositivos usados II.3.3 Aplicação Real: Pirâmide Transamérica, São Francisco (EUA) II.4 Edifícios já construídos II.4.1 Importância e maneiras de os reforçar Conclusão Referências Bibliográficas

6 Agradecimentos Gostaríamos de agradecer à Catarina Ramos, pelo tempo, apoio e ajuda que nos dispensou durante as aulas do Projecto FEUP, ao professor Xavier Romão pelas luzes que nos deu sobre o projecto FEUP no início deste, aos oradores das palestras que nos indicaram que recursos temos e que podemos usufruir na nossa universidade, tal como também nos demonstraram como elaborar um bom trabalho e uma boa apresentação. Por último, um agradecimento à FEUP, pela oportunidade que nos deu de realizar este trabalho, de modo a que nos possamos habituar às lides académicas. 5

7 Imagem 1 Placas Tectónicas no Mundo Lista de Imagens Imagem 2 Placas tectónicas em redor de Portugal Imagem 3 Intensidade Macrossísmica de Portugal Imagem 4 Danos por contacto entre edifícios Imagem 5 Amortecedores Imagem 6 Contrapeso Imagem 7 Amortecedores de Parede Imagem 8 Pirâmide Transamérica Imagem 9 Faial, 1998: efeitos do sismo em duas construções adjacentes, uma reforçada e outra não 6

8 I - Introdução I.1 - O que é um sismo? Os sismos (também conhecidos por tremores de terra ou terramotos) são abalos naturais da crosta terrestre que ocorrem num tempo restrito num determinado local, que se propagam em todas as direcções (Ondas Sísmicas). Normalmente, ocorrem nas fronteiras das placas litosféricas, existentes em todo o mundo (ver Imagem 1) ou em áreas de vulcões. Há uma área de estudo chamada Sismologia que estuda os sismos e as propagações de ondas elásticas pela terra. Esta área também inclui o estudo dos efeitos dos sismos (como os tsunamis) ou até de outras fontes sísmicas (como os processos volcânicos, tectónicos, oceânicos, atmosféricos e artificiais (explosões)). Imagem 1 - Placas Tectónicas no Mundo I Situação em Portugal Portugal, no contexto da tectónica de placas, situa-se na placa Euro-Asiática, limitada a sul pela falha Açores-Gibraltar (FAG) que corresponde à fronteira entre as placas euro-asiática e africana e a oeste pela falha dorsal do oceano Atlântico, como se pode ver na Imagem 2. Devido a este contexto tectónico, o território português constitui uma zona de sismicidade importante. 7

9 Imagem 2 Placas tectónicas em redor de Portugal Devido ao seu enquadramento, o território de Portugal Continental tem sofrido, ao longo do tempo, as consequências de sismos de magnitude moderada a forte, que resultaram muitas vezes em danos importantes em várias cidades e vilas do país. A carta das isossistas máximas observadas até à actualidade (ver Imagem 3), permitenos concluir que o risco sísmico no continente é elevado: as maiores concentrações demográficas situam-se no seu litoral, precisamente nas áreas de maiores intensidades sísmicas observadas. Imagem 3 Intensidade Macrossísmica de Portugal 8

10 No entanto, Portugal não está pronto para sofrer um sismo de grande intensidade. Os maiores especialistas portugueses em sismos avisam que Portugal pode sofrer, a qualquer momento, um sismo e um tsunami semelhantes ao que se viram no Japão e que irá matar dezenas de milhares de pessoas porque o país não está preparado para tal. O Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em 2005, previu que o grande sismo vai matar entre 17 mil e 27 mil pessoas, mas essa estimativa peca por defeito. «O grande problema está na falta de resistência da maioria dos edifícios portugueses, ao contrário do que acontece no Japão», disse Mário Lopes, professor do Instituto Superior Técnico, à TVI24, a aquando de uma entrevista sobre o estado da proteção antissísmica portuguesa. «Conhecendo a cidade de Lisboa, receio que possamos ter riscos acentuados em mais de 50 por cento dos edifícios da cidade», disse João Appleton, engenheiro civil. Para o economista António Nogueira Leite, um sismo «teria um impacto na economia portuguesa equivalente a um ano de criação de riqueza». Por isso, o país necessita de preparar os seus edifícios para a vinda de um sismo iminente. Neste trabalho, vamos verificar como o podemos fazer. 9

11 II - Como proteger os edifícios II.1 - Porque é que alguns edifícios caem durante um sismo? Imagine que está num autocarro que acelera de repente. Os seus pés acompanham o movimento do autocarro, mas a parte de cima do seu corpo fica para trás, dando a sensação de cair para trás. Quando o mesmo autocarro trava de repente, o seu corpo estava com a mesma velocidade do autocarro. Os seus pés, como estavam em contacto com o autocarro, travam ao mesmo tempo, mas o resto do corpo não, tendendo a cair para a frente. Durante um sismo, um edifício experimenta forças e movimentos similares, mas de uma maneira muito mais complexa. Os edifícios tendem a ser projetados para suportar cargas verticais, tais como o seu próprio peso e os seus conteúdos. Eles também são concebidos para resistir a cargas laterais, tais como a força do vento, mas esta tende a ser muito menor do que a carga vertical. Os sismos atuam sobre os edifícios, causando uma vibração que se transmite das fundações até à estrutura na superfície. Sofrendo cargas laterais muito elevadas, o edifício abana mais que o esperado e os esforços desenvolvidos nas componentes estruturais do edifício podem ultrapassar o seu limite de resistência, provocando danos e eventualmente o colapso da estrutura. Também sismos podem causar um processo conhecido como a liquefacção dos solos, que faz com que o solo perca a sua capacidade de suportar cargas verticais (ver em Solos). Isto pode causar subsidência de edifícios que pode contribuir para a instabilidade, especialmente se existir subsidência diferencial (onde um dos lados do edifício assenta mais do que o outro). Voltando à comparação humano/edifício, o nosso corpo tem flexibilidade e músculos que o previne e o estabiliza nestes casos. Assim, um edifício também precisa de ser um pouco flexível e também ter componentes ( os músculos ) que possam conter as pressões causadas em várias partes do edifício pelos movimentos horizontais causados pelo sismo. 10

12 II.2 - Condicionantes na construção de edifícios II Materiais São Francisco, Califórnia No dia 18 de Abril de 1906, a cidade de São Francisco foi arrasada por um enorme sismo. As paredes de tijolo da Câmara Municipal de São Francisco ruíram e o edifício foi devorado pelo fogo. Sobreviveu apenas a sua estrutura metálica. Os gigantescos tremores de terra reduziram grande parte da cidade a escombros. Maçonaria A Maçonaria é feita com tijolos de barro queimado e cimento ou argamassa de lama. Os tijolos podem aguentar cargas que a compressão causa, mas dificilmente aguenta carga que provoca tensão. A alvenaria é um material quebradiço, que desenvolve fissuras, uma vez que a sua capacidade de transportar carga horizontal é excedida. Assim, as paredes são os pontos fracos do edifício: elas compartilham a carga das vigas e das colunas até desenvolverem rachadelas e colapsarem. Cimento O cimento (ou betão) é outro material que é popularmente usado na construção civil particularmente nas últimas quatro décadas. O betão é feito de pedaços de pedra esmagada (chamados agregados), cimento, areia e água misturados em proporções adequadas. O betão é muito mais forte do que a alvenaria sob forças de compressão, mas novamente o seu comportamento sob tensão é pobre. As propriedades do cimento dependem criticamente da quantidade de água utilizada no fabrico deste, tendo muito ou pouca água, ambas situações podem causar estragos. Aço O aço é usado na alvenaria e nos edifícios de betão, como barras de reforço de diâmetro que varia de 6mm a 40mm. Aço reforçado pode aguentar tanto forças de tensão como de compressão. Além disso, o aço é um material dúctil. Esta importante propriedade permite barras de aço se submeter alongamento grande antes de quebrar. O betão pode ser utilizado com barras de aço como reforço. Este material é denominado de betão armado. A quantidade e localização de aço num membro deve ser tal que o aço deve atingir a sua força de tensão antes que o betão atinja a sua resistência à compressão. Este tipo de falha é uma falha dúctil, e é preferível a uma falha em que o betão falha primeiro. Portanto, proporcionando mais aço a edifícios R.C. pode ser muito prejudicial! 11

13 II Solos Kobe, Japão No dia 17 de Janeiro de 1995, a cidade de Kobe, no Japão foi assolada por um sismo de magnitude 7,2. Muitos dos edifícios modernos de Kobe foram construídos para resistir a sismos. Contudo, alguns construídos em solo instável ruíram quando os tremores de terra causaram a liquefacção do solo. Porque é importante considerar o Solo na ocorrência de um terramoto? Embora as estruturas estejam apoiadas sobre o solo, a maioria das pessoas raramente o consideram importante, nem às suas diferenças, nem ao seu subsequente efeito sobre as estruturas num sismo. Alguns solos são duros, como a pedra, e podem suportar imenso peso; enquanto outros solos são fracos, como areia solta. As propriedades do solo afectam diferentes ondas sísmicas que passam através das camadas da terra. Nalgumas áreas, pode haver diferentes tipos de solos dispostos em camadas umas sobre os outras antes de se encontrar rocha dura. Nalguns casos, as propriedades do solo fazem com que a sua própria agitação seja ampliada pelas ondas sísmicas. Isso vai influenciar o que é necessário fazer para que as estruturas possam resistir melhor aos terramotos. Além disso, um fenómeno conhecido como liquefacção pode acontecer em grandes sismos. O que é a liquefacção? Quando há água subterrânea a menos de 30 metros da superfície em solos que contêm camadas de areia, as pressões geradas pelas repetidas oscilações nos vários segundos de vibrações das ondas sísmicas irão causar a subida e a saída da água do solo. Quando isto ocorre, os grãos de areia são forçados a separarem-se. O solo, em seguida, assume as propriedades de um semi-sólido. Quando isso acontece numa grande área, casas e edifícios com fundações inadequadas podem literalmente afundar-se no solo. Quando ocorre a liquefacção de uma área pequena, a areia liquefeita pode ser ejectada para a superfície através de fissuras nas camadas acima. Esta ruptura do solo terá um impacto maior sobre condutas, fundações mais fundas e outras estruturas por baixo da superfície da terra. 12

14 II.3 Edifícios Novos II.3.1 Processos Construtivos Método Convencional (Robustez) O dimensionamento do edifício deve definir a resistência, rigidez e capacidade de deformação elástica, para que sejam suficientes para resistir a um dado nível de sismo gerado. Isto pode ser conseguido por selecção de uma configuração estrutural adequada e de uma pormenorização cuidadosa dos elementos estruturais, tais como viga, pilares e as ligações entre eles. Método Básico (Resistência) O dimensionamento depende da utilização das técnicas mais avançadas de resistência aos sismos. Este método não é para reforçar a construção, mas para reduzir as forças geradas pelo terremoto que actuam sobre o edifício. Isto pode ser conseguido pela dissociação da estrutura do movimento do solo. É possível reduzir as forças induzidas pelo sismo no edifício de três maneiras. 1. Aumentar o período natural das estruturas pelo Isolamento da Base; 2. Aumentar o amortecimento do sistema pelo uso de dispositivos de dissipação de energia; 3. Suavizar os efeitos do terremoto usando Sistemas de Controlo Activo (ver Sistemas de Controlo Activo). 13

15 II.3.2 Regras e dispositivos usados Há regras que devem ser seguidas para podermos ter um bom edifício anti sismos: Ter intervalos entre edifícios (Imagem 4): Um intervalo de uma largura específica entre edifícios adjacentes ou partes do mesmo edifício para permitir movimento destes, de modo a evitar estragos devido aos movimentos horizontais criados pelo sismo. Imagem 4 Danos por contacto entre edifícios Cuidados nas instalações do edifício: Devem ser tomadas precauções ao decidir o modo como as instalações eléctrica e sanitária são construídas e colocadas no edifício para não criar fraquezas nas paredes e pilares de suporte deste. Isolamento da Base (Imagem 5): Esta tecnologia envolve a instalação de ligações de borracha às bases de uma estrutura, ou perto dessas bases, de forma a amortecer ou anular a força vertical e horizontal dos movimentos do solo. O resultado: a energia sísmica é isolada e dissipada por estes grandes Imagem 5 Amortecedores "amortecedores", diminuindo significativamente a ressonância prejudicial que é transmitida através da estrutura. Em vez disso, as borrachas permitem a uma estrutura deslizar para trás e para a frente com fluidez nas suas fundações. Portanto, se o chão acelera numa direcção, o contrapeso move-se na outra, e as forças que actuam sobre a estrutura são amortecidas ou canceladas. Contrapeso (Imagem 6): Instalada na parte mais alta, uma esfera suficientemente pesada para fazer movimentar o prédio no sentido contrário às vibrações do solo atenua o movimento e permite que o prédio se mantenha 40% mais estável durante um sismo. Imagem 6 Contrapeso Paredes com amortecedores (Imagem 7): Os amortecedores absorvem grande parte do impacto provocado pelos tremores nas paredes. Assim, a probabilidade do edifício sofrer rachadelas ou abalos estruturais diminui. Imagem 7 Amortecedores de Parede 14

16 Sistemas de Controlo Ativo (Active Control System): O sistema é constituído por três elementos básicos: 1. Sensores para medir as forças externas e/ou a resposta estrutural; 2. Hardware e software para calcular a força a exercer conforme a força observada e/ou resposta estrutural; 3. Atuadores para fornecer as forças necessárias. Assim, no sistema ativo, tem que haver necessariamente uma entrada de energia externa para alimentar os actuadores. A vantagem de um sistema activo encontra-se na sua gama muito mais ampla de aplicação, uma vez que as forças de controlo são estabelecidas com base na excitação e comportamento estrutural real. No sistema activo, quando apenas são medidas forças externas, diz-se que o sistema de controlo é aberto. No entanto, quando a resposta estrutural é usada como dado de entrada, o sistema de controlo está fechado. Em certos casos, ambas as forças exteriores e as respostas estruturais são utilizadas no sistema, que é denominado de ciclo aberto-fechado. 15

17 II.3.3 Aplicação Real: Pirâmide Transamérica, São Francisco (EUA) A Pirâmide Transamérica foi completada em 1972 e inclui muitas características que a ajudam a dissipar os abalos ou a resistir a eles. Durante o terramoto de Loma Prieta, de 1989, a Pirâmide abanou durante mais de um minuto e oscilou 0,3 metros, mas permaneceu intacta. De seguida, são descritas algumas das características antissísmicas que este edifício contém: 1. Andares superiores flexíveis; 2. Materiais à prova de fogo usados em todo o lado; 3. Todo o equipamento aparafusado às paredes e concebido para resistir aos movimentos ascendentes e laterais; 4. A forma em pirâmide possui um baixo centro de gravidade, que resiste aos abalos; 5. Revestimento de quartzo branco reforçado com tirantes de aço concebidos para permitir movimentos laterais; 6. Pisos inferiores rígidos; 7. Pirâmides de suporte de quatro estacas entre o segundo e o quinto andares; 8. Fundações profundas firmemente presas a rocha sólida movimentam-se com os tremores de terra. Imagem 8 Pirâmide Transamérica 16

18 II.3 Edifícios já construídos II Importância e maneiras de os reforçar Imagem 9 - Faial, 1998: Efeitos do sismo em duas construções adjacentes, uma reforçada e outra não O reequipamento sísmico de estruturas vulneráveis e antigas é fundamental para a redução dos riscos. É importante para proteger a vida e bens dos ocupantes do edifício e a continuidade do seu trabalho. Habitações privadas, redes de infraestruturas e instalações industriais podem ser reprojectadas e reconstruídas para resistir a sismos. Até monumentos podem ser reforçados. Em geral, as comunidades com estruturas mais readequadas podem recuperar mais rapidamente de terramotos. Se vive ou trabalha em estruturas adaptadas, é menos provável que saia ferido durante um terramoto. Depois do terramoto, também é mais provável ter uma casa e um emprego mais rapidamente. As empresas que usam edifícios adaptados tendem a sobreviver mais a terremotos prejudiciais e conseguem sustentar as interrupções de negócios e não têm tantas perdas de inventário. Uma solução é o isolamento de base, onde um material absorvente é utilizado em colunas e fundações para amortecer choques. A câmara de Los Angeles foi adaptada com esse tipo isolamento e a nova Catedral de Los Angeles incluiu-o no seu projecto original. Mario Cipresso, o administrador da construção, mostra um dos edifícios recentemente renovados e que está estruturalmente atualizado, adicionando contraventamentos em forma de X destinados a transferir todas as forças, triangulando-as através destes. O prédio também tinha algo aplicado chamado "shotcrete". Este processo reforça paredes existentes com uma nova camada de betão e barras de aço. Shotcrete é uma solução para as muitas estruturas de alvenaria no mundo em desenvolvimento. O reforço antissísmico traz grandes custos, algo em que os países em desenvolvimento têm dificuldades. Mas o custo em vidas perdidas em sismos é ainda maior. 17

19 Conclusão Assim se conclui que, com edifícios bem preparados, os locais afectados por terramotos ou derivados conseguem recuperar mais rapidamente das catástrofes do que se não tivessem estas regras e medidas de segurança. Portugal, embora não seja um alvo muito comum, também está em risco e o país não se encontra preparado para uma calamidade destas. Finalmente, sublinha-se uma frase de uma notícia: quando o sismo chegar, a Assembleia da República vai ficar de pé, porque recebeu obras de reforço anti-sísmico. Mas os principais hospitais de Lisboa, por exemplo, deverão colapsar. (in TVI24) 18

20 Referências Bibliográficas Wikipedia. Seismology. (acesso a 12 de Outubro, 2012) Escola Superior de Educação de Castelo Branco. Sismos. (acesso a 12 de Outubro, 2012) LNEC. Sismicidade e tectónica em Portugal. (acesso a 12 de Outubro, 2012) TVI24. ultimas-noticias/ html (acesso a 12 de Outubro, 2012) MCEER. Soils and Earthquakes. (acesso a 12 de Outubro, 2012) Design Earthquake Resistant Structures. Earthquake Resistant Structures by Planning and Design Approach. (acesso a 12 de Outubro, 2012) Design Earthquake Resistant Structures. Active Control Devices for Earthquake Resistance acesso a 12 de Outubro, 2012) FEMA. Building Codes. a 12 de Outubro, 2012) Voice Of America. voa70/ html(acesso a 12 de Outubro, 2012) Último Segundo. Alta tecnologia faz prédios resistentes a terremotos. rremotos/n html(acesso a 17 de Outubro, 2012) Civil Tech. O Japão e a incrível engenharia anti-sísmica. a 17 de Outubro, 2012) 19