ISOLAMENTO SÍSMICO DE ESTRUTURAS ANÁLISE DO PANORAMA ACTUAL

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1 ISOLAMENTO SÍSMICO DE ESTRUTURAS ANÁLISE DO PANORAMA ACTUAL Luís M. C. GUERREIRO Professor Auxiliar ICIST - DECIVIL - IST Lisboa SUMÁRIO O isolamento de base é um sistema eficaz de protecção sísmica de edifícios ao qual o meio técnico português ainda não aderiu. A falta de regulamentação adequada poderá ter contribuído para este panorama. Neste artigo é apresentada e comentada a regulamentação existente nesta área, com destaque para a última versão do Eurocódigo 8. São apresentadas as metodologias de cálculo aplicáveis a este tipo de estruturas e seus limites de aplicação. É ainda feita referência a projectos de edifícios com isolamento de base em desenvolvimento em Portugal.. INTRODUÇÃO O conceito de isolamento de base teve o seu aparecimento no início da década de 98 mas só na década de 99 é que se impôs como um sistema eficaz de protecção sísmica. A ideia do isolamento sísmico consiste na criação duma superfície horizontal de descontinuidade de modo a limitar a transmissão de movimentos de translação entre a fundação e a estrutura a proteger. A designação de isolamento de base está associada ao facto da superfície de descontinuidade, que garante o isolamento, se encontrar na base da estrutura, ou elemento estrutural a isolar. As situações mais comuns de utilização são o isolamento da super-estrutura de edifícios em relação às fundações ou o isolamento do tabuleiro de pontes em relação aos pilares e encontros. Embora o conceito de isolamento sísmico seja simples e a sua eficácia comprovada, a ideia de desligar os edifícios das suas fundações não foi, ou continua a não ser, fácil de aceitar pelos

2 886 SÍSMICA - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica engenheiros portugueses responsáveis pelo projecto de estruturas. Uma das objecções principais à utilização deste tipo de sistemas tem sido a falta de regulamentação adequada, que enquadrasse e definisse a forma de aplicação desta tecnologia. Outra objecção é o eventual aumento de custo da estrutura devido ao preço do sistema de isolamento de base. Podendo eventualmente ser verdade este facto, não deve no entanto ser esquecido que com esta tecnologia é possível conseguir atingir elevados níveis de segurança em relação à acção sísmica com estruturas mais baratas (sem considerar o custo dos dispositivos de isolamento), devendo a decisão final, tal como em qualquer projecto, ser baseada numa análise correcta de custos e benefícios. Neste artigo será essencialmente abordada a questão relacionada com a regulamentação apresentando e comentando diversos regulamentos existentes. Um sistema de isolamento de base pode ser constituído por dispositivos de um só tipo ou por dispositivos de diversos tipos e com características que se complementem. As principais características que um sistema de isolamento de base deve apresentar são: Capacidade de suporte para cargas verticais; Baixa rigidez horizontal; Capacidade de dissipação de energia (ζ>5%); Capacidade de restituição à posição inicial. Actualmente existem diversas propostas de soluções de isolamento de base sendo importante destacar os blocos de borracha de alto amortecimento (HDRB), os blocos de elastómero com núcleo de chumbo (LRB) e os apoios pendulares com atrito (FPS), por serem aqueles com maior número de aplicações. Borracha de alto Borracha com Apoio pendular amortecimento núcleo de chumbo com atrito (HDRB) (LRB) (FPS) Figura : Sistemas de isolamento de base mais divulgados. ANÁLISE DA REGULAMENTAÇÃO ACTUAL Os primeiros regulamentos sobre estruturas com isolamento de base apareceram no início da década de 99 nos Estados Unidos e no Japão. Nos Estados Unidos a associação de engenheiros da Califórnia apresentou um capítulo sobre isolamento de base, na versão de 99

3 Luís M. C. GUERREIRO 887 do seu regulamento para a construção de edifícios resistentes aos sismos []. Também nos Estados Unidos, a AASHTO apresentou em 99 um conjunto de regras para análise de pontes com isolamento de base []. Em 99, no Japão, foi editado um conjunto de regras sobre o isolamento sísmico de pontes []. Na Europa, é em Itália que os estudos sobre isolamento de base mais se desenvolvem, tendo aparecido o primeiro conjunto de regras sobre isolamento de base em edifícios em 99 [], existindo agora um conjunto de regras mais recente, editado em 998 [5]. O Eurocódigo 8, nas suas últimas versões, também contempla este tipo de sistema de protecção sísmica, quer na parte relativa a edifícios [6] quer na parte relativa a pontes [7]. Neste artigo serão apresentadas e comentadas as regras presentes na última versão do Eurocódigo 8, no conjunto de regras italianas de 998 e num conjunto de regras dos Estados Unidos editadas em (NEHRP) [8]. Como seria de esperar os documentos em análise são semelhantes no essencial das regras que apresentam... Modelo de análise Uma das principais preocupações dos diversos conjuntos de normas é indicar quais os tipos de modelos e métodos de análise que são permitidos utilizar na avaliação do comportamento sísmico de edifícios com isolamento. Um primeiro passo fundamental é caracterizar o tipo de comportamento do sistema de isolamento. Assim, se o sistema de isolamento tiver comportamento não linear é necessário recorrer à análise no domínio do tempo. Este deverá ser o método a aplicar quando for utilizado um sistema de isolamento do tipo pendular com atrito (FPS). Se o sistema de isolamento tiver um comportamento que possa ser modelado através de um modelo linear equivalente, então é possível utilizar a análise modal ou mesmo um modelo estático equivalente, dependendo da complexidade da estrutura e da sua localização. De uma forma geral os aparelhos de apoio de borracha de alto amortecimento (HDRB) podem ser simulados através de modelos elásticos lineares, enquanto os sistema com núcleo de chumbo (LRB) poderão ou não, dependendo das suas dimensões. De acordo com o Eurocódigo 8 (Edifícios) [6], um sistema de isolamento pode ser modelado através de elementos com comportamento visco-elástico linear se forem constituídos por apoios de elastómero laminado (apoios de borracha de alto amortecimento, por exemplo) ou apresentarem comportamento elasto-plástico. Terão ainda que obedecer às seguintes condições: i) A rigidez efectiva do sistema para a deformação total de projecto ( ) não é inferior a 5% da rigidez efectiva para uma deformação igual a. ; ii) O coeficiente de amortecimento efectivo é inferior a %; iii) A relação força-deslocamento do sistema não apresenta variações superiores a % em virtude da variação da taxa de aplicação de deslocamentos ou devido à variação das cargas verticais; iv) O aumento da força de restituição quando se passa de uma deformação igual a 5% da deformação máxima para a deformação máxima é, no mínimo, igual a.5% da carga vertical exercida sobre o apoio. Estas condições são semelhantes às apresentadas pelo documento americano [8] para que se possa utilizar aquilo que é denominado como Método de Forças Laterais Equivalentes (Equivalent Lateral Force Procedure). A condição expressa em iv) limita a aplicação de

4 888 SÍSMICA - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica modelos elástico lineares praticamente só a sistemas constituídos por blocos de elastómero. Na prática somente este tipo de apoios consegue garantir a força de restituição exigida para níveis elevados de deformação. Curioso será verificar que esta mesma condição é exigida pelo Eurocódigo 8 (Parte : Pontes) como fundamental para o sistemas de isolamento a aplicar em pontes [7], limitando desta forma a utilização de sistemas de isolamento em pontes a soluções compostas por blocos de elastómero. Na figura são apresentados exemplos das relações força-deslocamento típicas de alguns sistemas de isolamento. (HDRB) (LRB) (FPS) Figura : Relação força-deslocamento típicas dos sistemas de isolamento Definidas as condições nas quais se podem utilizar modelos elásticos e lineares para simular os sistemas de isolamento, falta verificar as condições que a estrutura dos edifícios devem apresentar para que possam ser utilizados modelos mais ou menos sofisticados. Neste âmbito, se o isolamento puder ser simulado por modelos lineares, então o Eurocódigo 8 indica que, na análise da estrutura, poderá ser utilizada a análise modal ou um método simplificado (estático equivalente) no qual a estrutura é considerada como um bloco rígido (Análise Linear Simplificada). A ampla divulgação da análise modal como método para a quantificação da resposta dinâmica de estruturas torna quase desnecessária a inclusão na regulamentação de um método simplificado que permita a análise estática equivalente. No entanto as regras que condicionam a utilização da Análise Linear Simplificada podem ser consideradas como regras de boa prática na concepção da estrutura com isolamento pois, se estas forem garantidas, o comportamento da estrutura será mais regular e previsível. As condições a que as estruturas de edifícios devem obedecer para que possa ser utilizado o método simplificado são as seguintes: i) A distância a uma falha activa com potencial para originar um sismo de magnitude M s 6.5 ser superior a 5 km; ii) A maior dimensão de estrutura em planta ser inferior a 5m; iii) A sub-estrutura ser suficientemente rígida para minimizar os efeitos de deslocamentos diferenciais do solo; iv) Todos os dispositivos estarem localizados sobre elementos da sub-estrutura com capacidade de suporte para cargas verticais; v) O período efectivo da estrutura isolada ser, no mínimo, três vezes superior ao período que a estrutura teria se tivesse base fixa; vi) O período da estrutura isolada ser inferior a segundos;

5 Luís M. C. GUERREIRO 889 vii) viii) ix) A estrutura resistente do edifício ter uma distribuição regular e simétrica em relação a dois eixos ortogonais em planta; O movimento de rotação global do edifício em relação a eixos horizontais (rocking) ser desprezável; A relação entre a rigidez vertical e a rigidez horizontal do sistema de isolamento ser superior a 5. Mais uma vez estas recomendações são muito semelhantes às apresentadas no documento americano. Este último acrescenta uma limitação relacionada com a altura do edifício isolado, não permitindo a aplicação do método estático equivalente a edifícios com altura superior a m, medidos acima da superfície de isolamento. Analisando as condições atrás referidas verifica-se que estas limitam a aplicação do método estático equivalente a estruturas compactas, regulares e cujo comportamento dinâmico não seja afectado pelos movimentos verticais. Condiciona ainda a localização das estruturas em relação a falhas activas. Todas estas condições podem, como já foi referido atrás, ser encaradas como regras de boa prática pois conduzem à optimização do comportamento da estrutura isolada. Por exemplo, a relação entre o período da estrutura isolada e o período da estrutura com base fixa é, para alguns autores [9], uma medida da eficácia do sistema de isolamento. Desta forma é aconselhável que a relação entre estes períodos seja superior a, tal como consagrado no conjunto de regras atrás exposto. Na figura são apresentados alguns resultados que traduzem a influência da relação de períodos na eficácia do comportamento da estrutura com isolamento. B Fixa Piso Isolada Deslocamentos (mm). Hz.5 Hz. Hz.5 Hz Freq. Base Fixa.5 Hz.5 Hz.5 Hz.5 Hz Freq. Isolada Relação B Fixa Piso Isolada Corte (kn)... Figura : Análise da eficácia do isolamento em função da relação entre as frequências com e sem isolamento

6 89 SÍSMICA - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Como se pode observar na figura, para valores da relação superiores a, a estrutura isolada comporta-se praticamente como um corpo rígido enquanto que para valores da relação perto da unidade a deformação da estrutura isolada tem uma configuração próxima da deformação da estrutura sem isolamento. Também em termos de esforços se pode concluir ser vantajoso considerar sistemas de isolamento que conduzam a valores elevados da relação entre períodos. A aplicação da análise modal no cálculo da resposta sísmica de estruturas com isolamento levanta no entanto o seguinte problema: como considerar simultaneamente elementos estruturais com níveis de amortecimento tão diferentes como, por exemplo, estruturas de betão e dispositivos de isolamento com alto amortecimento. A resposta a este problema é a mesma em qualquer um dos regulamentos mais modernos [5][6][8]: deve ser utilizado um espectro de resposta equivalente que apresente valores espectrais correspondentes ao amortecimento do isolamento para os períodos mais altos e valores espectrais relativos ao amortecimento estrutural para os períodos mais baixos. O período de transição deve ser escolhido de tal forma que separe os modos que correspondem essencialmente à deformação dos dispositivos de isolamento, dos modos que correspondem à deformação da estrutura. Na figura está representado um espectro de resposta equivalente, no qual o período de transição corresponde a. segundos e o isolamento tem um amortecimento de %. Aceleração (m/s )..5 Espectro Equivalente. Modos do isolamento.5. ζ = % ζ = 5%.5 Modos da estrutura Período (seg.) Figura : Espectro de Resposta equivalente Ao utilizar este tipo de espectro de resposta equivalente admite-se que nos modos de vibração onde a deformação do isolamento de base é predominante (primeiros modos de vibração num modelo tridimensional) a deformação da estrutura é insignificante. Só assim se admite considerar o amortecimento correspondente ao sistema de isolamento para quantificar a resposta destes modos. Se tal não acontecer, ou seja, se a deformação da estrutura nestes modos não for muito pequena, a resposta de estrutura relativa aos referidos modos estará a ser erradamente reduzida. Repare-se que, relativamente aos modos superiores a opção de considerar o amortecimento relativo à estrutura é uma opção conservativa, pois estar-se-á a assumir uma dissipação de energia mais baixa do que aquela que a deformação do sistema de isolamento de base poderá garantir. Voltando a observar os resultados representados na figura

7 Luís M. C. GUERREIRO 89, pode-se afirmar que se for verificada uma relação entre frequências isolada e fixa superior a, assumir este tipo de espectro de resposta equivalente não acarretará erros significativos. O Eurocódigo 8 permite considerar um coeficiente de comportamento igual a.5 para o cálculo dos esforços de dimensionamento em edifícios com isolamento de base. Este coeficiente de comportamento vai afectar os esforços na super-estrutura, obtidos através duma análise elástica. A redução nos esforços de dimensionamento da super-estrutura deverá também afectar os esforços sísmicos aplicados ao sistema de isolamento de base, pois deverá haver equilíbrio entre os esforços basais de corte e os esforços aplicados ao sistema de isolamento... Dimensionamento do sistema de isolamento Se no capítulo da definição dos modelos de análise e das regras de verificação da segurança das estruturas com isolamento já existe regulamentação disponível a nível europeu, em relação às regras de verificação da segurança dos sistemas de isolamento em si o panorama ainda não é tão satisfatório. No Eurocódigo 8 são apontadas as características globais exigidas aos sistemas de isolamento e é imposta a necessidade de garantir uma maior fiabilidade do sistema de isolamento face à exigida à estrutura. Para tal impõe que se considere um factor de majoração a ser aplicado aos esforços (ou deslocamentos) impostos ao isolamento pela acção sísmica. Em nota é recomendada a utilização de um factor de majoração igual a.. Neste tema, quer o regulamento americano quer o regulamento italiano vão um pouco mais além, indicando regras para a determinação das características dos sistemas de isolamento assim como regras para qualificação e aceitação dos mesmos. Neste momento encontra-se em desenvolvimento uma norma europeia sobre apoios estruturais []. Embora esta norma se refira essencialmente a apoios estruturais sem funções de isolamento de base, as condições impostas relativamente aos apoios do tipo elastomérico são compatíveis com as regras sugeridas em diversos trabalhos de investigação sobre a aplicação destes sistemas como isolamento de base []. Um dos pontos a reter deste conjunto de regras sobre apoios elastoméricos é a forma como deve ser verificada a segurança deste tipo de blocos de apoio. Esta verificação é feita em termos de valor máximo de distorção no elastómero, valor este que deve considerar o efeito da compressão, da rotação e do movimento transversal devido ao sismo. Neste contexto convém referir que, normalmente, a componente mais elevada da distorção resulta do efeito da carga de compressão. Um outro problema relacionado com a qualificação dos sistemas de isolamento de base é a dificuldade em conseguir arranjar equipamento com capacidade para testar os referidos dispositivos. A dimensão dos apoios e os valores que as forças em jogo assumem torna por vezes impossível a realização de testes à escala real. Nestas condições o recurso a ensaios em modelos reduzidos parece ser a única alternativa, sendo então necessário uma análise muito cuidada dos resultados obtidos para ter em conta possíveis distorções nos resultados devidos aos efeitos de escala.

8 89 SÍSMICA - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica. EDIFÍCIOS COM ISOLAMENTO DE BASE EM PORTUGAL Ao contrário do que acontece com as pontes, onde já existem diversos exemplos de estruturas com isolamento de base (por exemplo o viaduto Sul da Ponte Vasco da Gama), em Portugal ainda não existe nenhum edifício construído utilizando esta tecnologia. Este panorama deverá no entanto ser alterado em breve, pois já foi iniciada a construção daqueles que serão os primeiros edifícios com isolamento de base em Portugal. Estes edifícios constituem um Complexo Integrado de Saúde a construir nas imediações do Centro Comercial Colombo, em Lisboa, sendo um dos edifícios um hospital e o outro um conjunto de residências para a ª idade. Este empreendimento é um investimento do grupo Espírito Santo, sendo a arquitectura da responsabilidade da RISCO e o projecto de estruturas da STA. O conjunto deverá estar concluído no ano de 5. O edifício do hospital apresenta pisos enterrados e acima do solo com forma aproximadamente rectangular (x5 m ), sobre os quais se desenvolvem blocos com pisos cada. O edifício de apartamentos é composto por uma banda disposta ao longo dos lados de um rectângulo, com pisos (um é enterrado) sobre os quais se desenvolvem dois blocos com pisos, nas extremidades menores do rectângulo. No hospital o sistema de isolamento encontra-se localizado abaixo do primeiro piso enterrado (a cerca de 7 metros do nível ) e nos apartamentos o nível de isolamento coincide com a fundação do piso. No total serão utilizados cerca de aparelhos de apoio do tipo HDRB (cerca de no hospital e os restantes nos apartamentos) com diâmetros variando entre os mm e os 9mm. Os edifícios apresentam frequências fundamentais próximas de.hz e uma deformação máxima ao nível do sistema de isolamento de cerca de cm. No final de ficou concluído o projecto de um outro edifício com isolamento de base, um dos edifícios integrados nas futuras instalações do Laboratório Nacional de Investigação Veterinária, estando actualmente a aguardar o lançamento do concurso para a sua construção. Este edifício é composto por cinco pisos, sendo um deles abaixo da cota do terreno e apresenta uma planta rectangular com cerca de 56m x 7m. O projecto de estruturas deste edifício é da responsabilidade do Eng. Carlos Baptista. O edifício em causa foi classificado como de confinamento biológico P, classificação esta que obriga a exigências de desempenho superiores às consideradas normalmente em projecto, obrigando nomeadamente à preservação do edifício mesmo para situações extremas como a ocorrência de sismos. Por este motivo foi decidido utilizar isolamento de base como forma de protecção sísmica no edifício. No isolamento do edifício foi utilizado um total de 55 blocos de apoio de elastómero de alto amortecimento (HDRB) com diâmetros de 5mm e 7mm. O edifício apresenta uma frequência fundamental próxima de.5hz e uma deformação máxima ao nível do sistema de isolamento ligeiramente inferior a cm.

9 Luís M. C. GUERREIRO 89. CONCLUSÕES Actualmente, o número de exemplos de edifícios com isolamento de base é suficientemente grande para afirmar que esta metodologia já garantiu o seu lugar como uma alternativa válida na protecção sísmica das estruturas. Aquele que era apontado como um dos grandes impedimentos à sua maior divulgação e que era a falta de regulamentação adequada está neste momento praticamente superada, existindo já diversos conjuntos de normas a cobrir esta matéria. A actual regulamentação europeia para construção sismo-resistente já inclui prescrições relativas a isolamento de base. Da análise feita à regulamentação apresentada pode-se concluir que a última versão do Eurocódigo 8 é bastante completa na definição dos modelos de análise de estruturas com isolamento e na definição das exigências de segurança relativas aos dispositivos que constituem o isolamento de base. Este documento é no entanto omisso quando a regras para teste e qualificação dos sistemas de isolamento de base assim como regras para análise da conformidade dos sistemas de isolamento fornecidos face às características exigidas no projecto. Esta laguna decorre essencialmente da diferença de abordagem do Eurocódigo 8 quando comparado, por exemplo, com o documento norte-americano. O Eurocódigo 8 define somente as regras gerais de segurança relativa aos edifícios, deixando as regras específicas a cada material (aço, betão, etc.) para outros documentos. Nesta filosofia deverá vir a existir um conjunto de normas dedicadas aos sistemas de isolamento de base. Entretanto existe a nível europeu uma pré-norma relativa a apoios estruturais que, embora não tenha sido criada a pensar em sistemas de isolamento de base, pelo menos relativamente aos apoios elastoméricos apresenta um conjunto de normas e procedimentos que deverão ser verificados pelos sistemas de isolamento de base compostos por blocos de elastómero. 5. REFERÊNCIAS [] Structural Engineers Association of California - Recommended Lateral Force Requirements and Commentary, 99. [] American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO - Guide Specifications for Seismic Isolation Design, 99. [] Public Works Research Institute of Japan Manual for Menshin Design of Highway Bridges (translation), Report nº UCB/EERC-9/, 99. [] Servizio Sismico Nazionale (Italia) Design Guidelines for Buildings with Seismic Isolation, 99. [5] Presidenza del Consiglio Superiore dei LL. PP (Italia) Linee Guida per Progettazione, Esecuzione e Collaudo di Strutture Isolate dal Sisma, 998. [6] CEN, European Committee for Standardization Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance Part : General rules, seismic action and rules for buildings. CEN/TC5/SC8/N5,. [7] CEN, European Committee for Standardization Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance Part : Bridges, CEN/TC5/SC8/N7,.

10 89 SÍSMICA - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica [8] National Institute of Building Sciences NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures,. [9] Skinner, R. I.; Robinson, W.; McVerry G. H. An Introduction to Seismic Isolation. Wiley, 99. [] CEN, European Committee for Standardization pren 7- Structural Bearings Part: Elastomeric bearings, CEN/TC67/N85,. [] Kelly, J. Earthquake-Resistant Design with Rubber. Springer-Verlag, 99.