A UTILIZAÇÃO DE UM NOVO SISTEMA DE DISSIPADORES E CABOS DE PRÉ-ESFORÇO PARA PROTECÇÃO SÍSMICA DE EDIFÍCIOS Júlio APPLETON Eng. Civil A2P CONSULT, LDA Lisboa J. NUNES DA SILVA Eng. Civil A2P CONSULT, LDA Lisboa Cristina MARTINS Eng. Civil A2P CONSULT, LDA Lisboa SUMÁRIO O presente artigo tem como objectivo apresentar um novo sistema para a protecção sísmica de edifícios constituído por uma associação de cabos e de pré-esforço e de dissipadores (DCS - damper cable system). É descrito o sistema e apresentado o conceito com base numa estrutura com 3 pisos que foi objecto de ensaio para acções dinâmicas, com e sem a introdução desse sistema. 1. INTRODUÇÃO O presente artigo tem como objectivo apresentar um novo sistema para a protecção sísmica de edifícios constituído por uma associação de cabos de pré-esforço e de dissipadores (DCS - damper cable system). Este sistema está a ser desenvolvido no âmbito de um projecto de investigação europeu (EV GI - CT - 1999-00013) em que o A2P participa na sua qualidade de projectista de estruturas. As 6 entidades envolvidas no projecto são a Bouygues, VSL, Jarret, Enea, Ismes, Udine Univ. e A2P. O objectivo deste sistema é minimizar o efeito dos sismos na estrutura e nos elementos não estruturais dos edifícios. É assim semelhante ao dos sistemas de isolamento de base ou outros sistemas com dissipadores. Trata-se de um novo conceito quando comparado com a actual filosofia de verificação da segurança tirando partido da ductilidade da estrutura. Nesta situação
teremos, após um sismo intenso, danos significativos cuja reabilitação requer custos importantes. O sistema concebido tem assim como objectivo que a estrutura permaneça quase em regime elástico e que a deformação seja pequena. Este sistema é aplicável quer na concepção de obras novas quer no reforço sísmico de estruturas existentes. 2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DCS Nas Fig. 1 e 2 apresenta-se o edifício de 3 pisos que foi testado, incorporando numa direcção o sistema DCS. P P - 240kN ANCORAGEM Fv=231kN F H=66kN LIGAÇÃO CABO-ESTRUTURA NO TOPO Fv=30 F H=66 DESVIADOR Fv=64 F H=66 LIGAÇÃO CABO-ESTRUTURA NO DESVIADOR LIGAÇÃO AMORTECEDOR-CABO DISSIPADOR Fv=59 F H=85 LIGAÇÃO AMORTECEDOR-ESTRUTURA Figura 1 Figura 2 Em cada direcção a situação típica consistirá na introdução de 2 conjuntos de 2 unidades cabo/dissipador. Cada conjunto deverá ser aproximadamente simétrico por forma a que as componentes horizontais das forças de desvio sejam auto equilibradas. Cada unidade é composta por um cabo que, em geral, ligará o nível térreo ao topo do edifício, tendo associado um amortecedor localizado ao nível do piso térreo. O cabo terá a sua forma definida por vários desviadores localizados ao nível dos pisos e é livre de deslizar em relação aos pisos através da adopção de cordões não aderentes. Os cabos são protegidos por uma calda de cimento injectada no interior de uma baínha metálica de aço inox onde são introduzidos os monocordões.
Os desviadores deverão de preferência localizar-se junto a pilares e alinhamentos de vigas (em lajes vigadas). Na figura 2 apresenta-se um esquema do traçado adoptado no edifício testado e indicam-se as forças de desvio para um valor de pré-esforço P = 240 kn. Na Fig. 3 apresenta-se a geometria típica de um desviador realizado com elementos metálicos. O desviador é preenchido com uma argamassa de selagem tornando assim estanque a ligação entre pisos. Figura 3 Os dissipadores do tipo amortecedor viscoso (Jarret) têm uma geometria e comportamento conforme ilustrado na Fig. 4. Figura 4
3. COMPORTAMENTO SÍSMICO DE UMA ESTRUTURA COM O SISTEMA DCS Quando sujeita a uma acção sísmica a estrutura irá sofrer deslocamentos horizontais que vão introduzir uma variação do pré-alongamento dos cabos, conforme ilustrado na Fig. 5. P <0 P >0=100kN F, F H 3 F H 3 =27,5kN F H 2 F H 2 =27,5kN AMORTECEDOR ACTIVO F H' F H' = 27,5kN Figura 5 - Funcionamento do sistema DCS quando a estrutura é sujeita a uma acção dinâmica Quando o movimento se dá numa determinada direcção uns cabos sofrerão um aumento de extensão/força P e outros sofrerão uma redução de extensão/força - P. O valor do pré-esfoço inicial é definido por forma a que os cabos se mantenham sempre traccionados, ou seja, P- P > 0. No(s) dissipador(es) que são sujeitos a um P > 0 ficará instalada uma força superior à inicial (preload) e o pistão movimentar-se-á desenvolvendo-se um ciclo de dissipação de energia. Por outro lado a variação de força nos cabos vai gerar uma variação nas forças de desvio ao nível dos pisos, as quais são no sentido de contrariar as acções actuantes.
4. ESTUDOS EFECTUADOS NO ÂMBITO DO PROJECTO Apresenta-se seguidamente uma descrição de síntese dos estudos efectuados pelo conjunto de entidades participantes neste projecto: Tarefa 1 - Identificação das Características do Sistema DCS Foi desenvolvido um "software" específico para a análise sísmica de pórticos planos incorporando um sistema DCS e foi realizado um estudo paramétrico para vários tipos de edifícios (4, 8 e 10 pisos) analisando o efeito do traçado e área dos cabos de pré-esforço, força inicial e coeficiente de amortecimento do dissipador. Foi modelado o deslizamento do cabo em relação ao desviador. Foram analisadas as potenciais aplicações deste sistema quer no projecto de estruturas novas quer na reabilitação sísmica de edifícios existentes. Identificaram-se como casos em que o sistema terá particular interesse as estruturas flexíveis de porte médio. Tarefa 2 - Dimensionamento e Optimização do Sistema DCS Para a concretização deste estudo foi necessário realizar vários desenvolvimentos tecnológicos. Assim foi concebido e executado o sistema de ligação do cabo de pré-esforço ao dissipador e o sistema de desviadores e a sua ligação à estrutura. Tarefa 3 - Integração Arquitectónica do Sistema DCS A integração deste tipo de sistema em edifícios tem condicionamentos arquitectónicos relevantes em especial quando utilizado em edifícios existentes como técnica de reforço. Através de vários exemplos e do envolvimento de 4 gabinetes de arquitectura ilustrou-se a aplicação do sistema tendo-se verificado a sua viabilidade. A simultaneidade de renovação das fachadas com o reforço sísmico poderá constituir uma forma simples de integração dos sistema DCS em edifícios existentes. Tarefas 4 e 5 - Modelação da Estrutura com o Sistema DCS A modelação foi realizada com um programa desenvolvido no âmbito deste projecto e também com os programas comerciais ABACUS e SAP2000. Os resultados de modelação foram aferidos com os resultados experimentais obtidos no ensaio efectuado na estrutura que se apresenta na Fig. 1. Tarefa 6 - Ensaios Experimentais em Protótipos Foram efectuados os seguintes ensaios: - Cabo de Pré-esforço + Dissipador
- Desviador +Cabo de Pré-esforço + Dissipador (Fig. 6) - Edifícios de 3 pisos (Mock up - Fig. 1) Figura 6 Obtiveram-se as frequências, modos de vibração e amortecimento da estrutura do Mockup com e sem dissipadores. Concebeu-se uma estrutura metálica (visível na Fig. 1) ligada exteriormente à fachada, na qual foram fixados os desviadores. Esta estrutura foi fixada no edifício por chapas e barras de aço pré-esforçadas. Os dissipadores utilizados tinham uma força inicial de 240 kn, C = 30 kn/(m/s) α e α = 0.15. O pré-esforço nos cabos foi de 240 kn. O edifício foi instrumentado com 12 transdutores de aceleração, 14 transdutores de deslocamento e extensómetros no pistão do dissipador. O edifício foi actuado por um excitador mecânico colocado no topo do edifício com o qual é fácil variar a intensidade e frequência da excitação (Fig. 7)
Figura 7 Aplicou-se uma força máxima de 61 kn e uma frequência de 2.6 Hz a que correspondeu uma aceleração no topo de 3.7 m/s² e um deslocamento no topo de 13 mm. A amplitude do movimento no dissipador foi de 4 mm. Sem o sistema DCS para uma força de 34.8 kn aplicado com a frequência fundamental de 1.96 Hz a aceleração no topo foi de 2.55 m/s² e o deslocamento no topo de 14.8 mm. Com a introdução do sistema DCS foi assim possível quase que duplicar a força com um deslocamento no topo inferior ao da estrutura sem DCS. 5. CONCLUSÃO O projecto realizado permitiu comprovar analiticamente e experimentalmente a eficácia e viabilidade do sistema de protecção sísmica de edifícios com dissipadores e cabos de préesforço. Este projecto será concluído em 2002 estando em curso a avaliação final dos ensaios em prototipo e os estudo técnico económico da solução e comparação com outras técnicas.