Relatório Projecto Acção dos sismos sobre os edifícios 2012/2013 10 de Outubro de 2012 Resumo André Ribas, ec12156, David Marques, ec12108, Francisco Pereira, ec12130, Guiomar Silva, ec12058, Luís Gomes, ec12169, Nuno Eusébio, ec12173, Rui Almeida, ec12149 Grupo: 12MC02-01
Resumo Os sismos são abalos naturais que ocorrem na litosfera devido à libertação de energia que se foi acumulando entre placas tectónicas ao longo do tempo. Estes abalos provocam estragos nos edifícios que podem levar ao seu colapso, principalmente porque afectam os seus suportes. Deste modo, os engenheiros tiveram de encontrar soluções para que o número de colapsos diminuísse. Com essa procura chegaram certas estruturas anti-sísmicas como estruturas flexíveis, amortecedores hidráulicos, pêndulos gravíticos e bases de borracha. 2
Palavras-Chave 1. Sismos; 2. Edifícios; 3. Colapsos; 4. Fundação; 5. Estrutura; 6. Oscilação; 7. Amortecedores Anti-sísmico; 8. Pêndulo Gravítico; 9. Bases de Borracha Anti-sísmicas; 10. Janelas Anti-sísmicas. 3
Agradecimentos Antes da apresentação do relatório queríamos agradecer toda a colaboração de: João Pedro Saraiva Prof. Xavier Romão 4
Índice 1 - Introdução 6 2 - O que são os sismos?. 7 2.1 - Consequências dos sismos 9 2.1.1 - Efeito dos sismos nos edifícios.10 3 - Porque é que alguns edifícios não caiem e soluções.12 3.1 - Tipos de sistemas de Isolamento de Base. 16 4 - Conclusão...18 Bibliografia...19 5
1. Introdução No âmbito da UC Projecto realizamos este relatório acerca do nosso tema de trabalho: A acção dos sismos sobre os edifícios. Por isso decidimos, previamente explicar o que são sismos, explicando como ocorrem e as suas consequências/efeitos. Assim, fomos capazes de explicar como um sismo afecta as estruturas dos edifícios. Posteriormente demos soluções para diminuir o risco de colapso dos edifícios, apresentando métodos e estruturas capazes de contrariar a intensidade dos sismos no edifício. 6
2. O que são os sismos? Sismos são abalos naturais da crosta terrestre que ocorrem num período de tempo restrito, em determinado local, e que se propagam em todas as direcções (Ondas Sísmica), dentro e à superfície da crosta terrestre, sempre que a energia elástica se liberta bruscamente nalgum ponto (Foco ou Hipocentro). Qualquer material rígido, de acordo com as leis físicas, quando submetido à acção de forças (pressões e tensões) deforma-se até atingir o seu limite de elasticidade. Caso a acção da força prossiga o material entra em ruptura, libertando instantaneamente toda a energia que havia acumulado durante a deformação elástica. Em termos gerais, é aquilo que se passa quando a litosfera fica submetida a tensões. Sob o efeito das tensões causadas, a maior parte das vezes, pelo movimento das Placas Tectónicas, a litosfera acumula energia. Logo que, em certas regiões, o limite de elasticidade é atingido, dá-se uma ou várias rupturas que se traduzem por falhas. A energia bruscamente libertada ao longo destas falhas origina os sismos. Se as tensões prosseguem, na mesma região, a energia continua a acumular-se e a ruptura consequente far-se-á ao longo dos planos de falha já existentes (fig. 1). Fig. 1 Teoria Ressalto Elástico 7
Os sismos são detectados por aparelhos designados por sismógrafos (fig. 2) que avaliam o sismo segundo a sua quantidade de energia libertada numa escala conhecida por escala de Richter. Para avaliar a consequência do sismo existe a escala de Mercalli. Fig. 2 - Sismógrafos 8
2.1. Consequências dos sismos A consequência dos sismos é, então, avaliada segundo a escala de Mercalli, onde são medidas as suas intensidades através da avaliação dos danos produzidos nas pessoas, objectos, estruturas construídas e meio ambiente, num determinado local:.grau 1: no grau 1 (nível mais baixo) os sismos passam despercebidos..grau 2: as pessoas a dormir em andares mais altos sentem um certo movimento..grau 3: os objectos começam a oscilar..grau 4: os objectos chocalham e os carros estacionados balançam..grau 5: toda a gente sente os movimentos, os líquidos derramam, os quadros balançam e as portas abanam..grau 6: existe dificuldade em caminhar, as janelas partem-se, os quadros caem e o estuque racha..grau 7: as pessoas caem e as chaminés racham..grau 8: os carros são difíceis de controlar, as paredes desfazemse e as chaminés caem..grau 9: alguns edifícios ruem, o solo racha e os canos soltam-se..grau 10-11: os edifícios ficam reduzidos a ruínas e ocorrem derrocadas de terras nas colinas..grau 12: destruição total (fig. 3). Deste modo, o sismo pode ter todos estes efeitos e assim afectar estruturas dos edifícios, efeitos que iremos explicar seguidamente. Fig. 3 Efeito do sismo, grau 12 na escala de Mercalli 9
2.1.1. Efeito dos sismos nos edifícios O sismo provoca forças de inércia nos edifícios que são proporcionais à massa do mesmo. Como grande parte da massa do edifício se encontra nos pisos, a força de inércia criada pelo sismo é principalmente fortalecida ao nível do solo. Estas forças dirigidas para baixo (através das vigas e placas para os pilares e paredes e, em seguida, para as suas bases) dispersam para o solo. Assim, os pilares e paredes em andares inferiores experimentam maior força de inércia induzida pelo sismo. Estas estruturas são concebidas para serem mais fortes nos pisos inferiores do que superiores. Quando os pilares são feitos mais fracos, sofrem danos locais graves na parte superior e inferior de um piso em particular (fig. 4). Este dano pode levar ao colapso de um edifício, embora as colunas de andares acima permanecerem quase intactas. As lajes horizontais são elementos semelhantes a chapas que facilitam o uso funcional dos edifícios. Estes elementos são utilizados em conjunto com as vigas em andares. Quando, durante sismos, as vigas dobram na direcção vertical, as lajes finas dobram com elas. No entanto, quando as vigas se movem com os pilares na direcção horizontal, as lajes, geralmente, obrigam as vigas a moverem-se com elas. Fig. 4 Efeito do sismo nos pilares de um edifício 10
Nos edifícios de betão armado, depois das colunas e dos pisos serem construídos e o betão armado endurecer, os espaços verticais entre os pilares e os pisos, geralmente, são preenchidos com alvenaria para delimitar uma área em espaços funcionais. Normalmente, as paredes de alvenaria, também conhecidas por paredes de enchimento, não estão ligadas à envolvente de betão armado (pilares e vigas). Quando os pilares estão sujeitos a forças horizontais ao nível dos pisos, tentam mover-se na direcção horizontal, mas as paredes de alvenaria tendem a contrariar este movimento. Por serem pesadas e espessas, as paredes de alvenaria atraem forças horizontais elevadas. Porém, como a alvenaria é um material frágil, estas paredes desenvolvem fissuras quando a sua capacidade para suportar forças horizontais é excedido. As paredes de enchimento não podem ser demasiado altas, pois assim podem cair para fora do seu plano, ameaçando a vida. Além disso, a colocação irregular de enchimento no edifício provoca efeitos nocivos como torção. Devido a todos estes factores, os sismos provocam danos consideráveis nos edifícios, podendo levar ao seu colapso. Assim, explicaremos como é que é possível alguns edifícios não caírem e daremos soluções para isso. 11
3. Porque é que alguns edifícios não caiem e soluções Com o elevado número de sismos que ocorrem todos os anos desde há muitos séculos (fig. 5), os engenheiros civis tiveram de encontrar soluções para que o número de edifícios que entrassem em colapso diminuísse. Assim já há muitos anos que os engenheiros trabalham no sentido de melhorar a estrutura que suporta todo o edifício, isto só é possível pois os meios informáticos que na actualidade se encontram à disposição permitem fazer cálculos que até há altura eram impensáveis. Fig. 5 Aumento dos sismos ao longo dos séculos XIX e XX 12
Deste modo o efeito nas estruturas por acção dos sismos é analisado de uma forma mais pormenorizada, o que permite um desenvolvimento de estruturas anti-sísmicas (fig. 6) com mais segurança e mais económicas. Fig. 6 Estrutura anti-sísmica Como já vimos, na construção de um edifício, uma das características mais importantes a ter em conta é o facto de a fundação ser feita para conseguir suportar forças verticais à mesma. Estas forças são o próprio peso do edifício e todas as forças resultantes da actividade dos habitantes, como por exemplo o peso dos móveis. Qualquer edifício é construído de forma a aguentar variações de carga verticais, mas não horizontais. Como sabemos, os sismos fazem com que o chão se mova tanto de cima para baixo, como para os lados, e é esta oscilação horizontal que provoca a maior parte dos acidentes e colapsos dos edifícios. E para que um edifício seja realmente à prova de sismos, este tem principalmente de conseguir suportar estas oscilações. Uma das maneiras é fazer com que o edifício seja mais flexível, na medida em que consiga, sem que haja nenhum dano, balançar lentamente de um lado para o outro. Quando ocorre um terramoto, por vezes vemos edifícios a abanar. Isto é totalmente propositado, visto que se um edifício for muito rígido vibra muito rapidamente e acaba por partir. Na construção de um arranha céus, os engenheiros têm de ter em consideração o tempo de oscilação do mesmo, quando afectado por um sismo. Este tempo de oscilação não pode ser demasiado pequeno pois pode danificar a estrutura, e também não pode ser demasiado elevado pois, consoante a altura do edifício, pode causar elevadas oscilações no topo do prédio e como tal, levar a acidentes que danifiquem o mesmo. Para que este método seja eficaz é necessário o edifício ter a base substancialmente mais pesada que o topo. 13
Estes mecanismos podem ser divididos em três categorias: Amortecedores que se aproveitam da fricção; Amortecedores que se aproveitam do metal e da sua elevada capacidade de se deformar; Amortecedores viscosos que são únicos pois diminuem o stress e a deflexão durante um sismo. Outro sistema anti-sísmico utilizado pelos engenheiros nos grandes edifícios é o sistema de contrapeso inercial (pêndulo) (fig. 7). Este sistema é instalado na parte superior do edifício e é constituído por uma bola enorme de massa aproximadamente 600 toneladas, suspensa por cabos de aço e amortecedores Fig. 7 Pêndulo gravítico (estrutura anti-sísmica) hidráulicos. Esta bola pode oscilar em qualquer direcção mas sempre no sentido contrário à inclinação do edifício que acompanham as vibrações do solo. Este movimento da bola absorve energia e ao reduzir o balanço do prédio em cerca de 40%, aligeira as vibrações e o risco de danos estruturais. Um edifício ao ter este sistema, não significa que está completamente seguro, pois um edifício sujeito a um grande sismo superior ao que este sistema aguenta corre o risco de ceder e por sua vez colapsar. 14
Um dos maiores edifícios do mundo tem este sistema antisísmico, o conhecido Taipei 101 (fig. 8). Este arranha-céus resiste a ventos de 450 km/h e a terramotos até 7 graus na escala de Ritcher. Neste sistema, que é o maior e mais pesado do mundo, a bola tem 5,5 metros de diâmetro, pesa cerca de 660 toneladas e está suspensa por 16 cabos de aço e 8 amortecedores hidráulicos. Fig. 8 Taipei 101 Mais um método para evitar a queda dos edifícios é a utilização de bases de borracha. Mas como se utiliza a borracha na concepção anti-sísmica? A resposta é: através de Isolamento de Base. O conceito de isolamento sísmico é simples. Tal como a designação refere, a ideia é isolar a estrutura do efeito dos sismos. O efeito devastador dos sismos decorre da transmissão dos movimentos do solo às estruturas edificadas, dando origem ao aparecimento de forças de inércia que as estruturas têm que ter capacidade para suportar. Se se conseguir desligar as estruturas do solo, então os movimentos deste não afectarão o estado de equilíbrio das estruturas. Esta afirmação tem algo de utópico, porque seria impossível desligar completamente as estruturas do solo sobre o qual assentam. No entanto, se se restringir somente ao plano horizontal, então esta ideia já é teoricamente concretizável. Assim, a ideia subjacente ao conceito de isolamento sísmico, é a eliminação das ligações entre a estrutura e o exterior, no plano horizontal, mantendo em pleno a ligação entre a estrutura e o solo na direcção vertical. O isolamento será pois relativo somente aos movimentos horizontais. Uma consequência imediata da interposição de uma camada deformável entre a estrutura e a fundação é a redução da frequência própria de vibração associada ao movimento horizontal. Este facto só por si pode levar a uma diminuição significativa nas acelerações impostas à estrutura e, consequentemente, nos esforços. 15
3.1. Tipos de sistemas de Isolamento de Base Um sistema de isolamento de base pode ser constituído por elementos de um só tipo ou por elementos de diversos tipos e com características que se complementam. As principais características que um sistema de isolamento de base deve apresentar são: Capacidade de Suporte; Baixa Rigidez Horizontal; Capacidade de dissipação de energia; Capacidade de restituição à posição inicial. Actualmente existem diversas propostas de soluções de isolamento de base. A maioria delas contém elementos de borracha ou outro elastómero. De seguida são apresentados os sistemas de isolamento mais divulgados na actualidade: I) Blocos de Borracha de Alto Amortecimento (fig.9); Fig. 9 II) Blocos de Borracha com Núcleo de Chumbo (fig. 10); Fig. 10 16
III) Blocos de apoio de Elastómero em associação com dissipadores viscosos (fig. 11); Fig. 11 IV) Sistema Pendular com Atrito (fig. 12). Fig. 12 Estes são estruturas anti-sísmicas que protegem alguns edifícios de caírem. Também existem métodos para evitar estragos dentro dos edifícios quando não perigo de eles colapsarem, como por exemplo protecções nas janelas. Os vidros das janelas são uma das partes mais sensíveis da construção de edifícios. Estes estão envolvidos por uma borracha, para que não fique preso directamente aos aros de aço. Assim, quando há um sismo o vidro oscila de maneira controlada diminuindo a hipótese deste partir. 17
Conclusão Com a realização deste relatório, constatamos que apesar do nível de sismos ter aumentado ao longo dos tempos, os sistemas anti sísmicas têm aumentado e melhorado. Tal facto contribuiu para a diminuição do número de colapsos dos edifícios e da diminuição da gravidade em caso de colapso. Assim foi possível verificar porque é que alguns edifícios não caem, devido a estruturas anti-sísmicas concebidas por engenheiros, como por exemplo amortecedores, fundações flexíveis, bases de borracha e pêndulos gravíticos. Desta maneira, o estudo e investigação dos engenheiros para contrariar os efeitos dos sismos nos edifícios são preponderantes para a redução do risco e aumentar o nível da nossa segurança. Sendo assim, graças aos engenheiros, as consequências dos sismos podem ser significativamente reduzidas. 18
Bibliografia Arêde, António José Coelho Dias. Modelação da Acção dos Sismos em Estruturas. Engenharia Civil na Internet. 23 de Fevereiro de 2011. http://www.engenhariacivil.com/modelacaoaccao-sismos-estruturas (acedido em Outubro de 2012). BIO SENSOR. Volkl Tennis - Brasil. s.d. http://www.volkltennis.com.br/tecnologias/bio_sensor.html (acedido em Outubro de 2012). Branco, Miguel Eduardo Moura. Utilização de Dissipadores Viscosos para Reforço Sísmico de Edifícios de Alvenaria. MEMB. Novembro de 2006. http://web.ist.utl.pt/memb/engenhariavidanov2006.pdf (acedido em Outubro de 2012). C.V.R.Murty. How do Earthquakes affect Reinforced Concrete Buildings? National Information Centre of Earthquake Engineering. 12 de Fevereiro de 2009. http://www.nicee.org/eqtips.php (acedido em 1 de Outubro de 2012). Combate aos sismos: projectar e testar edifícios anti-sísmicos. Science in School. 21 de Setembro de 2010. http://www.scienceinschool.org/2010/issue15/earthquakes/portugu ese (acedido em Outubro de 2012). Diagrama Marketing Editoral. Alta tecnologia faz prédios resistentes a terremotos. Revista Grandes Construções. 14 de Março de 2011. http://www.grandesconstrucoes.com.br/br/index.php?option=com_ conteudo&task=viewnoticia&id=5303 (acedido em Outubro de 2012). Domingos, Luís. Estrutura da Terra. Terra Planeta "Vivo". 9 de Março de 2006. http://domingos.home.sapo.pt/estruterra_2.html (acedido em Outubro de 2012). 19
Domingos, Luís. Sismos. Terra Planeta "Vivo". 9 de Março de 2006. http://domingos.home.sapo.pt/sismos_1.html (acedido em Outubro de 2012). Em caso de grande terremoto, os mais altos edifícios de Tokyo resistirão aos abalos?. Blog SURIEMU. 11 de Abril de 2012. http://blog.suri-emu.co.jp/?p=13 (acedido em Outubro de 2012). EMAC. Junta Estructural Antisísmica - Novojunta Pro SISMO. Youtube. 22 de Fevereiro de 2011. http://www.youtube.com/watch?v=w64xkfqftxc&feature=related (acedido em Outubro de 2012). GERPAL Reducto. Disipadores de energía sísmica. Youtube. 7 de Setembro de 2011. http://www.youtube.com/watch?v=guo3wq1yz2y&feature=relate d (acedido em Outubro de 2012). Guerreiro, Luís. Novos Materiais - A Borracha na Concepção Antisísmica. Centro de Cálculo do Departamento de Engenharia Civil. 17 de Dezembro de 2003. http://civil.fe.up.pt/pub/apoio/mestr_estr/novosmateriais/apontame ntos/teorica/borracha%20%20a%20borracha%20na%20concepca o%20antisismica.pdf (acedido em Outubro de 2012). Matallana, Carlos. Japón y su arquitectura antisísmica (parte 2). Blog sobre Arquitectura, Sostenibilidad, Diseño, Tecnología, Experiencias y Reflexiones. 23 de Março de 2011. https://carlosmatallana.wordpress.com/2011/03/23/japon-y-suarquitectura-antisismica-parte-2/ (acedido em Outubro de 2012). Núcleo de Engenharia Sísmica e Dinâmica de Estruturas (NESDE). Resistência e vulnerabilidade sísmica dos edifícios. DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS. 22 de Abril de 2005. http://wwwext.lnec.pt/lnec/de/nesde/divulgacao/vulnerabilidade.html (acedido em Outubro de 2012). Pet Civil UFJF. 22 de Setembro de 2011. http://blogdopetcivil.com/tag/construcao-anti-terremoto/ (acedido em Outubro de 2012). 20
Ruivo, Luís Carlos Bento Ferreira. Análise da Eficiência Sísmica de Estruturas de Edifícios. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre, Instituto Superior Técnico - Universidade de Lisboa, 2010. SBT Brasil. Conheça o sistema de construção dos edifícios japoneses. Youtube. 22 de Agosto de 2011. http://www.youtube.com/watch?v=rgkiqz-khdw&feature=related (acedido em Outubro de 2012). SIRVE. Simulación movimiento Titanium en el Terremoto. Youtube. 16 de Julho de 2010. http://www.youtube.com/watch?v=3tmlidwgblm&feature=related (acedido em Outubro de 2012). SOUZA, CE HERBERT DE. Entenda a relação do Japão com os terremotos. BLOG DO CE HERBERT DE SOUZA. 17 de Março de 2011. http://cehsrj.blogspot.pt/2011/03/sobre-o-japao.html (acedido em Outubro de 2012). Tecnología Antisísmica Chilena. Youtube. 10 de Maio de 2012. http://www.youtube.com/watch?v=8jus9sun7ia (acedido em Outubro de 2012). Tozetto, Claudia. Alta tecnologia faz prédios resistentes a terremotos. Último Segundo. 12 de Março de 2011. http://ultimosegundo.ig.com.br/mundo/alta+tecnologia+faz+predios +resistentes+a+terremotos/n1238156416631.html (acedido em Outubro de 2012). TVI. Portugal não está preparado para sismos. Youtube. 21 de Março de 2011. http://www.youtube.com/watch?v=nkjk3zbn7i8 (acedido em Outubro de 2012). Universidad Nacional de Colombia. PÉNDULO MODULAR COMPENSATORIO DE MASA parte1. Youtube. 21 de Maio de 2011. http://www.youtube.com/watch?v=1rtlnzovtla&feature=related (acedido em Outubro de 2012). W1TV 10 MINUTES. Japão desenvolve tecnologia para proteger cidades, prédios e casas dos terremotos. Youtube. 15 de Julho de 2011. http://www.youtube.com/watch?v=phxagw7zwuc (acedido em Outubro de 2012). 21