Princípios de Projeto de Estruturas Pré

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ESTRUTURAL E CONSTRUÇÃO CIVIL
ANTONIO WILLIAM SILVA JÚNIOR
PRINCÍPIOS BÁSICOS DO PROJETO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO PRÉMOLDADO EM REGIÕES COM RISCO SÍSMICO
FORTALEZA
2010
ii
Monografia submetida à Coordenação do curso
de Engenharia Civil da Universidade Federal
do Ceará, como requisito parcial da obtenção
do grau de Engenheiro Civil.
Orientadora: Prof. D. Sc Joaquim Eduardo
Mota
FORTALEZA
2010
iii
Monografia submetida à Coordenação do curso de Engenharia Civil da Universidade
Federal do Ceará, como requisito parcial da obtenção do grau de Engenheiro Civil.
Aprovada em 03/12/2010
S578p
Silva Júnior, Antonio William
Princípios básicos do projeto de estruturas de concreto pré-moldado em
regiões com risco sísmico/ Antonio William Silva Júnior. – Fortaleza,
2010.
74 f. il.; color. enc.
Orientador: Prof. Dr. Joaquim Eduardo Mota
Monografia (graduação) - Universidade Federal do Ceará, Centro de
Tecnologia. Depto. de Engenharia Estrutural e Construção Civil, Fortaleza,
2010.
1. Terremotos e construção civil 2. Concreto pré-moldado I. Antonio
William Silva Júnior (orient.) II. Universidade Federal do Ceará –
Graduação em Engenharia Civil. III.Título
CDD 620
iv
Às minhas avós,
Maria José e Rochelana Alves
Por todo amor e compreensão.
v
AGRADECIMENTOS
A DEUS pela vida e por tudo de bom que me propiciou e por ter me ajudado a
conquistar meus objetivos.
Aos meus pais e minha irmã que contribuíram sobremaneira para minha formação
pessoal e profissional.
A professora Suelly do Departamento de Engenharia de Transportes pela oportunidade
e aprendizado que ela me forneceu.
Ao professor Hiluy que me deu a oportunidade de estudar na França e me apoiou
durante todo aquele período.
A todos os meus amigos que fiz durante a minha morada na França que tornaram
aquele período inesquecível.
A todos os meus amigos da faculdade, em especial, Hugo, Herbert, Isael e Márcio que
foram os meus maiores parceiros durante estes 5 anos.
A todas as pessoas do CTE Rixheim que me orientaram e me receberam de braços
abertos no período em que trabalhei lá.
Ao professor Joaquim Mota pelo aprendizado obtido e por ter me orientado durante
esta monografia.
Aos professores que de forma direta ou indireta contribuíram para minha formação
pessoal e profissional.
vi
RESUMO
O estudo do fenômeno sísmico e o modo como ocorre a interação deste com as
estruturas de concreto pré-moldado são o alvo do presente estudo. Buscou-se descrever a
formação e desenvolvimento de um terremoto desde a sua origem através da teoria tectônica
das placas, além de algumas considerações anti-sísmicas para evitar a suscetibilidade ao
colapso das estruturas. Os diversos fatores responsáveis pela amplificação e caráter
catastrófico de um sismo podem ser considerados no projeto de estrutura, desde que arquitetos
e engenheiros façam uso do espectro de resposta, exposto na norma brasileira de projeto de
estruturas resistente a sismo, respeitando devidamente seus critérios condicionantes. Por
apresentarem vasta utilização no território nacional e internacional, juntamente com a
existência de diversas análises sobre o comportamento linear e não-linear, as estruturas de
concreto pré-moldado se mostraram uma opção interessante de estudo. Por ser um tema
recente, pouco se sabe sobre o comportamento desde tipo de estrutura quando submetida a
carregamentos sísmicos no Brasil. Devido à grande relevância dada as estruturas anti-sísmicas
em nível europeu e norte americano, por serem regiões extremamente suscetíveis à ocorrência
de terremotos, existem vários estudos sobre interação dos diversos tipos de estruturas
construídas com as acelerações sísmicas realizados pelos países presentes nesses continentes.
Este trabalho visa expor princípios de projeto anti-sísmico para estruturas de concreto prémoldado através do estudo de normas e considerações internacionais.
Palavras-chaves: Estruturas de concreto pré-moldado, sismo.
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Mapa da sismicidade brasileira do ano de 1720 até 2007 com tremores de
magnitude acima de 3.5 graus na escala Richter ................................................... 1
Figura 1.2 – Abalo sísmico de 4.9 pontos na escala Richter, na cidade de Itacarambi/MG ...... 2
Figura 2.1 - Divisão da Terra em placas tectônicas, as setas indicam o movimento relativo
entre as placas........................................................................................................ 6
Figura 2.2 – Falha de Pingvellir na Islândia ............................................................................... 7
Figura 2.3 – Falha de San Andreas na Califôrna ........................................................................ 7
Figura 2.4 - Etapas da geração de um sismo .............................................................................. 8
Figura 2.5 – Efeitos das ondas sísmicas na superfície.............................................................. 10
Figura 2.6 - Movimento oscilatório das ondas sísmicas no solo. ............................................. 10
Figura 2.7 - Mapeamento da aceleração sísmica horizontal característica no Brasil para
terrenos da classe B (“Rocha”). ........................................................................... 12
Figura 2.8 - Mapa sísmico do Ceará ......................................................................................... 12
Figura 2.9 - Variação do espectro de resposta de projeto Sa/ ags0 em função do período (T).14
Figura 2.10 - Relação entre a magnitude na escala de Richter e a intensidade na escala de
Mercalli. .............................................................................................................. 17
Figura 2.11 – Sismo de 8 de junho em Martinique .................................................................. 18
Figura 2.12 - Efeito local devido aos reforços das ondas presas na camada de solo mole ...... 19
Figura 3.1 - A característica horizontal das solicitações sísmicas ............................................ 20
Figura 3.2 - Fissuras em cruz nas construções ......................................................................... 21
Figura 3.3 - Oscilações da estrutura frente a um abalo sísmico ............................................... 21
Figura 3.4 - Colapso em torta ................................................................................................... 23
Figura 3.5 - Fissuras em cruz caracterisicas em paredes de alvenaria ..................................... 24
Figura 3.6 - Pavimento flexível ou soft-storey ......................................................................... 24
Figura 3.7 - As colunas com suas deformações laterais impedidas em uma parte de sua altura
............................................................................................................................. 25
Figura 3.8 - Exemplo de prédios vizinhos que foram sujeitos ao martelamento ..................... 26
Figura 3.9 - Exemplo de prédios que tiveram grandes recalques nas fundações devido a
liquefação ............................................................................................................ 27
Figura 4.1 – Dimensões e características dos elementos de seção TT. .................................... 28
Figura 4.2 – Formas de seções transversais dos painéis alveolares.......................................... 28
Figura 4.3 – Lajes formadas por nervuras pré-moldadas ......................................................... 29
Figura 4.4 – Lajes formadas por elementos tipo de “pré-laje” ................................................. 29
Figura 4.5 – Seções transversais mais utilizadas nas vigas ...................................................... 30
Figura 4.6 – Tipo 1 de viga pré-moldada ................................................................................. 32
Figura 4.7 - Tipo 2 de viga pré-moldada .................................................................................. 32
Figura 4.8 - Tipo 2 de viga pré-moldada .................................................................................. 33
Figura 4.9 – Seções transversais utilizadas nos pilares ............................................................ 34
Figura 4.10 – Características e elementos acessórios dos pilares de seções quadrada e
retangular empregados no Brasil. ........................................................................ 34
Figura 4.11 – Exemplos de utilização de painel TT em fechamento ....................................... 35
Figura 5.2 - Construção com paredes resistentes. .................................................................... 44
Figura 5.1 - Estrutura reticulada de um edifício de escritório e armazéns (“Logplace” –
Azmbuja). ............................................................................................................ 44
Figura 5.3 - Os recobrimentos fragilizam as zonas sensíveis a fortes deformações plásticas. . 45
Figura 6.1 - Formas favoráveis. Plantas simples com 2 eixos de simetria. .............................. 49
Figura 6.2 - Vista em planta dos edifícios. À esquerda: plantas simétricas e compactas. À
direita: os efeitos negativos da assimetria ou do caráter não-compacto. ............ 49
viii
Figura 6.3 - Influência da forma do edifício sobre os efeitos de torção. Concentração de
esforços nos ângulos internos (em cima), rotação permanente (em baixo) ........ 50
Figura 6.4 - Regularidade em elevação. ................................................................................... 50
Figura 6.5 - À esquerda: regularidade em elevação. À direita: pavimento flexível. ................ 51
Figura 6.6 - Edifícios com pavimentos flexíveis. ..................................................................... 51
Figura 6.7 - Soluções para edifícios comportando pavimentos flexíveis. ................................ 52
Figura 6.8 - Criação do pavimento flexível e colapso do andar ............................................... 53
Figura 6.9 - Uma grande distância entre os elementos paralelos favorece a resistência da
estrutura à torção graças à um braço de alavanca importante no plano horizontal.
............................................................................................................................. 53
Figura 6.10 - Na esquerda o objetivo de projeto viga fraca-pilar forte. Na direita as rótulas
plásticas nos pilares provocam efeitos de segunda ordem mais importantes. ..... 55
Figura 6.11 - A regra viga fraca-pilar forte deve considerar a seção real dos elementos......... 55
Figura 6.12 - Mecanismo plástico global de uma estrutura treliçada com barras centrais. Devese evitar a configuração da esquerda e preferir a da direita. ............................... 56
Figura 6.13 - A redundância e uma base larga garantem uma melhor distribuição das reações
de apoio ............................................................................................................... 57
Figura 6.14 - radier geral reforçado pelos muros do subsolo reduz os esforços na fundação .. 59
Figura 6.15 - Repartição dos prédios pelas juntas sísmicas ou repartição em subestruturas.
Acima a vista em planta, abaixo a vista em elevação. ........................................ 60
Figura 6.16 - Detalhes de juntas entre prédios ou entre blocos constituindo um prédio .......... 60
ix
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1
1.1
1.2
1.3
1.4
2
MOTIVAÇÃO ........................................................................................................................................... 1
OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 3
METODOLOGIA ...................................................................................................................................... 4
ORGANIZAÇÃO DO TEXTO ................................................................................................................... 4
SISMOS ............................................................................................................................. 5
2.1 TIPOS DE ONDAS SÍSMICAS ................................................................................................................. 8
2.1.1 Ondas de volume .................................................................................................... 8
2.1.2 Ondas de superfície ................................................................................................ 9
2.2 ANÁLISE ESPECTRAL DO MOVIMENTO SÍSMICO ........................................................................... 10
2.3 FATORES DO MOVIMENTO SÍSMICO ................................................................................................ 14
2.3.1 Fatores ligados a origem...................................................................................... 14
2.3.2 Fatores ligados ao trajeto percorrido .................................................................. 17
2.3.3 Fatores ligados às condições locais ..................................................................... 18
3
CARREGAMENTO SÍSMICO APLICADO ÀS ESTRUTURAS ............................ 20
3.1 CARACTERÍSTICAS DO CARREGAMENTO SÍSMICO APLICADO ................................................... 20
3.2 DANOS CARACTERÍSTICOS PROVOCADOS POR SISMOS .............................................................. 22
3.2.1 Colapso em torta .................................................................................................. 22
3.2.2 Fissuras em cruz ................................................................................................... 23
3.2.3 Pavimento flexível................................................................................................. 24
3.2.4 Coluna cativa e coluna curta ............................................................................... 25
3.2.5 Martelamento ....................................................................................................... 25
3.2.6 Liquefação ............................................................................................................ 26
4
CONCEITOS DA CONSTRUÇÃO PRÉ-MOLDADA .............................................. 27
4.1 TIPO DE ELEMENTOS EM SISTEMAS ESTRUTURAIS INCORPORANDO O CONCRETO PRÉMOLDADO ............................................................................................................................................. 27
4.1.1 Pavimento de concreto pré-moldado .................................................................... 27
4.1.2 Vigas pré-moldadas .............................................................................................. 30
4.1.3 Pilares pré-moldados ........................................................................................... 33
4.1.4 Paredes estruturais pré-moldadas ....................................................................... 35
4.2 TIPOS DE CONEXÕES ENTRE OS ELEMENTOS DE CONCRETO PRÉ-MOLDADO DE PÓRTICOS E
DE PAREDES ESTRUTURAIS ............................................................................................................... 36
4.2.1 Sistemas de equivalência monolítica .................................................................... 36
4.2.2 Sistemas de articulações ....................................................................................... 36
4.3 CONSIDERAÇÕES DE SERVIÇO .......................................................................................................... 37
4.3.1 Efeitos de temperatura ......................................................................................... 37
4.3.2 Fluência e retração .............................................................................................. 37
4.3.3 Durabilidade......................................................................................................... 38
4.3.4 Fogo e desempenho acústico ................................................................................ 38
5
CONSIDERAÇÕES SOBRE A CONSTRUÇÃO SÍSMICA COM CONCRETO
PRÉ-MOLDADO ................................................................................................................... 39
5.1 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA INCORPORAÇÃO DE CONCRETO PRÉ-MOLDADO NA
CONSTRUÇÃO ....................................................................................................................................... 39
5.2 CRITÉRIOS DE DESEMPENHO ............................................................................................................ 41
x
5.3 LIÇÕES DE TERREMOTOS ANTERIORES .......................................................................................... 42
5.3.1 Desempenho das estruturas de concreto bem projetadas e bem detalhadas ....... 42
5.3.2 Projeto e detalhamento inadequados de elementos dúcteis ................................. 44
5.3.3 Diagrama de ação inadequado ............................................................................ 46
5.3.4 Ligações fracas e detalhes de conexões ............................................................... 46
6
PRINCÍPIOS DE CONCEPÇÃO ANTI-SÍSMICA .................................................... 47
6.1 PRINCÍPIO 1 – SIMPLICIDADE ........................................................................................................... 47
6.2 PRINCÍPIO 2 – CONTINUIDADE ......................................................................................................... 47
6.3 PRINCÍPIO 3 – REGULARIDADE EM PLANTA.................................................................................. 48
6.4 PRINCÍPIO 4 – REGULARIDADE EM ELEVAÇÃO ............................................................................ 50
6.5 PRINCÍPIO 5 – RIGIDEZ E RESISTÊNCIA A TORÇÃO ...................................................................... 53
6.6 PRINCÍPIO 6 – ELEMENTOS ESTRUTURAIS VERTICAIS SUPERDIMENSIONADOS .................... 54
6.7 PRINCÍPIO 7 – CRIAR CONDIÇÕES DE UM MECANISMO PLÁSTICO GLOBAL ........................... 54
6.7.1 Pilar forte-viga fraca ............................................................................................ 54
6.7.2 Barras diagonais plásticas ................................................................................... 56
6.8 PRINCÍPIO 8 – ESCOLHA RACIONAL DAS MASSAS ....................................................................... 56
6.9 PRINCÍPIO 9 – LARGURA DOS ELEMENTOS DE CONTRAVENTAMENTO ................................... 57
6.10PRINCÍPIO 10 – LARGURA DAS FUNDAÇÕES ................................................................................. 58
6.11PRINCÍPIO 11 – PARTIÇÃO EM SUBESTRUTURAS ......................................................................... 59
6.12PRINCÍPIO 12 – FIXAÇÃO DOS ELEMENTOS NÃO ESTRUTURAIS ............................................... 60
7
CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................................... 62
7.1 ANÁLISE GERAL .................................................................................................................................. 62
7.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................................................... 62
REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 64
1
INTRODUÇÃO
1.1 Motivação
É cada vez mais freqüente nos veículos de mídia notícias acerca de ruínas de
estruturas ocasionadas pela solicitação sísmica. Os sismos estão diretamente relacionados à
movimentação das placas tectônicas, nota-se uma maior atividade sísmica em países
localizados nas proximidades das bordas dessas placas. No Brasil tem-se desprezado a
consideração das ações sísmicas tanto em projetos quanto em construções, apesar do país se
situar numa região intraplaca com atividade sísmica de baixa a média intensidade, sendo o
nordeste, particularmente os estados do Ceará e do Rio Grande do Norte, a região de maior
risco sísmico do país.
A norma de projeto de estruturas resistentes a sismos, NBR 15421, de março de
2006, reflete a recente preocupação do país em considerar o carregamento sísmico nos
projetos nacionais. Ressalva-se que as regulamentações desta norma levam em conta apenas
um número restrito de projetos, sendo necessária uma adaptação, considerando-se o contexto
local da construção civil, das alternativas de projeto de normas internacionais de países que há
muito desenvolvem estudos para melhor caracterizar o comportamento sísmico nos mais
diversos tipos de estruturas. A maior dificuldade, no âmbito nacional, reside na escassez de
informações relativas à atividade sísmica, tornando extremamente complicada uma avaliação
do nível de sismicidade brasileira.
Figura 1.1 – Mapa da sismicidade brasileira do ano de 1720 até 2007 com tremores de magnitude acima de 3.5
graus na escala Richter
(Fonte: FRANÇA, ASSUMPÇÃO, 2008,p23).
2
A Figura 1.1expõe dados referentes à atividade sísmica no país de 1720 a 2007. A
Tabela 1.1 apresenta a magnitude de alguns eventos sísmicos em diversas localidades
brasileiras.
Tabela 1.1 – Sismos de grande magnitude ocorridos no Brasil
(Fonte: MOTA, 2008)
Ano
1922
1939
1955
1955
1963
1964
1980
1983
1986
1989
1990
1998
Localidade
Mogi Guaçu – SP
Tubarão – SC
Serra Tombador – MT
Litoral Vitória – ES
Manaus – AM
NW de Mato Grosso do Sul
Pacajus – CE
Codajás – AM
João Câmara – RN
João Câmara – RN
Plataforma – RN
Porto Gaúchos – MT
Magnitude
(escala Richter)
5,1
5,5
6,6
6,3
5,1
5,4
5,2
5,5
5,1
5
5
5,2
As solicitações sísmicas apresentam singularidades por atuarem na estrutura de
maneira horizontal, cíclica, dinâmica e acionarem a força de inércia da mesma. Esse conjunto
de considerações não é previsto na concepção dos projetos estruturais nacionais. O vento,
atuando como carregamento horizontal, possui forte influência no dimensionamento de
estruturas elevadas, porém, no caso de sismo, nota-se maior gravidade nos prédios que
possuem entre 3 e 8 andares, os que são inferiores a tal altura são flexíveis o bastante para
apresentar um bom comportamento sísmico e os que são superiores possuem o vento como
um fator crítico de projeto, o que leva a consideração indireta do efeito do sismo.
Figura 1.2 – Abalo sísmico de 4.9 pontos na escala Richter, na cidade de Itacarambi/MG
(Fonte: MOTA, 2008)
3
A Figura 1.2 expõe uma edificação que colapsou devido a um sismo,
evidenciando a capacidade destrutiva do fenômeno. Constituindo um marco histórico da
atividade sísmica no Brasil, esse foi o primeiro evento relacionado a uma morte no país.
A utilização de estruturas pré-moldadas de concreto tem se mostrado uma solução
atraente e competitiva para execução de algumas construções, quando se considera
principalmente o tempo de entrega da obra. Por outro lado, no Brasil, pouco se tem discutido
sobre a vulnerabilidade deste tipo de estrutura quando submetida à ação sísmica.
1.2 Objetivos
O presente trabalho tem como objetivo a elaboração de princípios de projeto de
estruturas de concreto pré-moldado considerando-se as cargas provenientes de abalos
sísmicos.
Para o desenvolvimento da pesquisa aqui proposta serão estudados os fenômenos
dos abalos sísmicos e suas relações diretas com as construções existentes em zonas
consideradas críticas bem como o aprendizado obtido com sismos anteriores e as
considerações de projeto e execução visando evitar o colapso das estruturas.
Podem-se citar como objetivos específicos:
• Descrever o fenômeno do sismo e suas medidas de intensidade. Situação de
risco sísmico no Brasil;
• Representar o sismo como uma ação na estrutura;
• Apresentar a concepção, tipologia, vantagens e desvantagens das estruturas
pré-moldadas;
• Expor o estado da arte da construção pré-fabricada no mundo;
• Comparar as considerações de projeto em zonas sísmicas;
• Expor o aprendizado obtido com terremotos anteriores;
• Apresentar princípios básicos de projeto.
4
1.3 Metodologia
A fim de atingir os objetivos acima destacados buscou-se na literatura nacional e,
sobretudo, na internacional questões relevantes referentes a este projeto, tais como o estudo
sobre sismos e as implicações de sua atuação nas estruturas de um modo geral, as principais
características das estruturas pré-moldadas.
Esse projeto foi elaborando baseado na atual conjuntura da engenharia sísmica
mundial, expondo princípios aplicáveis não apenas as estruturas pré-moldadas, mas aos mais
diversos tipos de estruturas em localidades distintas, visando abranger ao máximo a
aplicabilidade desses conceitos.
1.4 Organização do texto
Este trabalho está basicamente dividido em seis capítulos. O primeiro discorre
sobre a introdução, objetivando fornecer uma visão inicial sobre o tema e o cenário atual. O
capítulo 2 abrange a formação do sismo bem como dos fenômenos que o influenciam. O
capítulo 3 aborda a questão do sismo como uma ação na estrutura, expondo, também, os
principais danos provocados nas estruturas devido à ação sísmica.
O capítulo 4 fala sobre os conceitos da construção pré-moldada, como os tipo de
elementos, tipos de conexões. O capítulo 5 discorre sobre o uso do concreto pré-moldado na
construção sísmica, explanando suas vantagens, os critérios de desempenho e as lições obtidas
de terremotos anteriores.
O capítulo 6 enumera 12 princípios de projeto e construtivos para efetuar uma
construção sismo-resistente. O capítulo 7 contém as conclusões obtidas neste trabalho e
sugestões de trabalhos futuros sobre o tema.
5
2
SISMOS
A maior parte das obras existentes foi construída sem levar em conta o aspecto
sísmico ou com métodos inapropriados. Como as solicitações sísmicas são muito diferentes
das que o engenheiro comumente tem o hábito de considerar, os métodos de
dimensionamento tradicionais não conduzem a um comportamento sísmico adequado.
É crucial conhecer o comportamento sísmico e a resposta das estruturas para que
se possa elaborar e avaliar critérios e métodos eficazes contra possíveis problemas acarretados
a estrutura da construção.
Segundo a teoria tectônica das placas a superfície da terra está dividida em um
conjunto de placas que flutuam dinamicamente sobre um manto líquido de rocha
incandescente, chamado de astenosfera. Estas placas, camada superior da terra
compreendendo a crosta e uma parte do manto, constituindo a litosfera, se movem de maneira
harmônica e convectiva e possuem uma espessura média estimada em 100 km.
França e Assumpção (2008, p.23) afirmam que:
O lento deslocamento das placas tectônicas decorre do movimento de convecção
existente no manto plástico, abaixo da litosfera (nesse movimento, a rocha, sob
condições de alta temperatura, comporta-se como um material plástico-viscoso,
migrando lentamente para cima) [...].
Para Balandier (2003a, p.3):
[...] os esforços sísmicos são provocados pela ruptura da rocha no subsolo, através
de distancias que podem variar de algumas centenas de metros a centenas de
quilômetros. Essas rupturas podem ser consideravelmente superficiais e notáveis na
superfície, ou profundas, de dezenas, até centenas, de quilômetros. Sua localização
terá uma grande influência nos efeitos perceptíveis na superfície que podem variar
bastante de um sismo a outro.
As placas se movem de diversas formas, sendo em seus contatos que se gera a
atividade sísmica e vulcânica do nosso planeta. Isso acontece porque várias massas de rocha
se chocam de maneira muito lenta e vão acumulando energia até que a capacidade da rocha
não resista, acarretando em um rompimento súbito que gera terremotos e erupções vulcânicas.
Quando ocorre a ruptura brusca da rocha, uma porcentagem mínima de energia
que escapa é liberada em forma de ondas elásticas, as quais viajam através das massas de
rocha e chegam à superfície gerando o movimento que se sente durante um terremoto. Sendo,
6
portanto, o que se sente, dependendo da quantidade de energia liberada, uma vibração em
superfície.
Figura 2.1 - Divisão da Terra em placas tectônicas, as setas indicam o movimento relativo entre as placas
(Fonte: FRANÇA, ASSUMPÇÃO 2008, p.22)
Para LESTUZZI (2008, p.8):
[...] Um sismo é um evento violento e extraordinário que faz com que a estrutura
passe a trabalhar no seu domínio plástico. Os esforços sísmicos atuam na estrutura
de maneira bem particular. De fato, este tipo de solicitação apresenta quatro
particularidades, são substancialmente horizontais, cíclicas, dinâmicas e agem na
estrutura como uma carga interna.
As placas tectônicas se movimentam através de deslocamentos que podem
provocar colisões, afastamentos ou cisalhamentos de umas com as outras. Segundo
BALANDIER (2003a, p.05), a localização e a boa distinção dos diferentes domínios, fontes
de sismos, e associação aos mesmos de magnitudes e ciclos de retorno possíveis permite
adotar uma política de prevenção adaptada a realidade.
O Brasil está situado na região interna, intraplaca, da placa Sul Americana. Apesar
de ser nas bordas das placas a região de maior atividade sísmica devido a suas
movimentações, o país apresenta de baixa a média atividade sísmica. O registro do mais forte
abalo sísmico no país data de 1955 em Porto dos Gaúchos/MT, com 6.2 de magnitude na
escala Richter. A primeira vítima fatal de um sismo no país surgiu em 9 de dezembro de 2007,
com um tremor de 4.9 na escala Richter, na localidade de Caraíbas, no município de
Itacarambi/MG, destruindo várias casas e levando uma criança ao óbito.
7
Figura 2.2 – Falha de Pingvellir na
Islândia (Fonte: BALANDIER, 2003ª)
Figura 2.3 – Falha de San Andreas na
Califôrna (Fonte: BALANDIER, 2003ª)
A Figura 2.2 representa o fenômeno de expansão, que ocorre basicamente quando
as placas se afastam uma da outra, enquanto que a Figura 2.3 mostra o deslizamento de uma
placa com relação à outra.
A hipótese mais aceita para explicar o sismo intraplaca é a proposta pelo norteamericano Lynn R. Sykes, em 1978. Ele afirma que a zona de atividade sísmica
provavelmente é uma zona de fraqueza, portanto, qualquer alteração de esforço local causaria
um tremor. As zonas brasileiras de maior atividade sísmica se concentram no Rio Grande do
Norte e no Ceará, sendo os tremores também percebidos em outras regiões, além das
supracitadas, como na plataforma continental e ao largo da costa no Sudeste e na chamada
faixa sísmica Goiás-Tocantins no Sudeste.
As ações de um sismo sobre uma estrutura variam de acordo com o tipo de onda
liberada na ruptura da falha geológica, do tipo de terreno que servirá para assentamento da
obra e da distância da mesma ao hipocentro. A geologia está diretamente relacionada com a
amplificação das ondas sísmicas em determinadas localidades brasileiras, dado que a
velocidade das ondas é influenciada pelo meio que elas atravessam. Solos sedimentares
apresentam uma capacidade superior de amplificação dessas ondas por se constituírem em
uma região menos consolidada.
8
Figura 2.4 - Etapas da geração de um sismo
(Fonte: TEIXEIRA et al. 2000, p.45)
2.1 Tipos de ondas sísmicas
Existem dois tipos de onda, as de volume e as de superfície. As primeiras são
cruciais para provocar o colapso das estruturas, dado que suas acelerações acionam a força de
inércia da estrutura provocando deslocamentos, elas são criadas na proximidade do
hipocentro, sendo longitudinais ou de cisalhamento. Essas ondas são parcialmente refletidas e
refratadas quando se propagam na superfície do solo, dado que podem encontrar
heterogeneidades, superfícies de descontinuidade ou superfícies livres, originando ondas
como as ondas de Rayleigh ou as ondas de Love.
2.1.1
Ondas de volume
As ondas de volume apresentam percurso radial deformado devido às variações de
densidade e composição do solo e respondem pelos primeiros tremores sentidos durante um
sismo. Essas ondas são dividas em primárias (ondas P) e secundárias (ondas S).
As ondas P ou primárias, também chamadas de ondas longitudinais, são as
primeiras a chegar, pois têm uma velocidade de propagação ligeiramente superior ao dobro
daquela das ondas S, em torno de 6 a 8 km/s. A velocidade de propagação deste tipo de ondas
varia com o meio em que se propagam. Elas fazem a rocha vibrar paralelamente à direção da
9
onda, tal como um elástico em contração e acompanham carregamento de volume,
compressão e dilatação alternada. Elas induzem um movimento vertical nas construções,
sendo este movimento de maior influência quanto mais próxima ao epicentro a construção
estiver (DAVIDOVIC, 1999, p. 30).
As ondas S ou secundárias são ondas transversais ou de cisalhamento, o que
significa que o solo é deslocado perpendicularmente à direção de propagação, provocando
cisalhamento sem carregamento de volume. Elas possuem uma velocidade de propagação de 3
a 5 km/s e induzem o movimento horizontal nas construções. As ondas S propagam-se apenas
em corpos sólidos, uma vez que os fluidos (gases e líquidos) não suportam forças de
cisalhamento (DAVIDOVIC, 1999, p. 30).
2.1.2
Ondas de superfície
Este tipo de onda se desloca mais lentamente que as ondas de volume. Possuem
um alto poder destrutivo dado que apresentam como características: baixa freqüência, longa
duração e grande amplitude. Essas ondas se propagam pela superfície a partir do epicentro e
se dividem em ondas de Rayleigh e ondas de Love.
As ondas Rayleigh fazem com que pontos do solo descrevam elipses em um plano
vertical. Este movimento é semelhante ao movimento de onda e provoca compressões ou
trações assim como cisalhamento no solo (DAVIDOVIC, 1999, p. 31).
As ondas Love produzem um deslocamento em um plano tangente à superfície e
perpendicular a direção da propagação. Seu movimento não gera tensões de cisalhamento
(DAVIDOVIC, 1999, p. 30).
10
Figura 2.5 – Efeitos das ondas sísmicas na superfície (Fonte: : http://susanapatriciabg.blogspot.com).
Figura 2.6 - Movimento oscilatório das ondas sísmicas no solo.
(Fonte: http://susanapatriciabg.blogspot.com).
2.2 Análise espectral do movimento sísmico
São geradas vibrações em três direções quando as ondas e a energia que elas
transportam atingem um local qualquer da superfície terrestre. Os acelerogramas constituemse em registros das acelerações geradas por essas vibrações em função do tempo. Segundo
PECKER (1984, p. 19) é possível se obter os diagramas de velocidade e de deslocamento em
função do tempo por integração do acelerograma.
11
Para DAVIDOVIC (1999, p. 77), os espectros caracterizam os sismos
sism mais
claramente que os acelerogramas, eles definem o carregamento sísmico no domínio das
freqüências. Conhecer a história do movimento a cada instante t é um problema complexo,
extrair somente os valores máximos é a forma mais simples e mais significativa,
significati
pois estes
valores condicionam as solicitações máximas. Um espectro de respostas pode ser de
deslocamento ou de aceleração.
O espectro de aceleração é muito empregado, pois ele fornece imediatamente a
força de inércia máxima agindo sobre a massa em movimento,
movimento, este máximo pode ser
representado como a força elástica desenvolvida no sistema. Este espectro permite avaliar a
possível amplificação das ondas que chegam ao solo de forma a evitar a ressonância com a
estrutura. Se as ordenadas do espectro são expressas
expressas em unidades de aceleração devido à
gravidade, elas fornecem o coeficiente sísmico próprio do oscilador. Isto quer dizer o
coeficiente que aplicado a massa fornece o valor da força elástica que produz as mesmas
solicitações que a resposta dinâmica (DAVIDOVIC,
(D
1999, p. 77).
As tabelas e figuras abaixo expõem a divisão do território nacional em zonas
sísmicas, a classificação do terreno em função da velocidade média de propagação de ondas
de cisalhamento e do número médio de golpes no ensaio SPT, os fatores
fat
de amplificação
sísmica no solo e o espectro de resposta.
Tabela 2.1- Classe do Terreno (Fonte: NBR 15421/2006).
Onde:
= Velocidade média de propagação de ondas de cisalhamento;
= Número médio de golpes no ensaio SPT, em ensaio realizado conforme NBR 6484.
12
Figura 2.7 - Mapeamento da aceleração sísmica horizontal característica no Brasil para terrenos da classe B
(“Rocha”) (Fonte : NBR 15421/2006).
Figura 2.8 - Mapa sísmico do Ceará (Fonte : Associação Cearense de Engenharia Estrutural).
13
Tabela 2.2 - Zonas sísmicas. (Fonte: NBR 15421/2006)
De acordo com a NBR 15421/2006, o espectro de resposta de projeto, Sa(T), para
acelerações horizontais, corresponde
corresponde a resposta elástica de um sistema de um grau de
liberdade, com uma fração de amortecimento crítico igual a 5% e é definido a partir da
aceleração sísmica horizontal característica, ag, e da classe do terreno.
ags0 = Ca ag
(2.1)
ags1 = Cv ag
(2.2)
Onde:
ags0 e ags1 = acelerações espectrais para os períodos de 0,0s e 1,0s respectivamente, já
considerando o efeito da amplificação sísmica no solo.
Ca e Cv = fatores de amplificação sísmica no solo para períodos de 0,0s e 1,0s
respectivamente, conforme Tabela 2.3,, em função da aceleração característica de projeto ag e
da classe do terreno.
Tabela 2.3 - Fatores de amplificação sísmica no solo (Fonte: NBR 15421/2006).
Conforme norma, o espectro de resposta de projeto, Sa(T), é definido
numericamente em três faixas de períodos, expressos em segundo, pelas expressões:
Sa(T) = ags0 (18,75. T .Ca/C
Cv + 1,0)
(para 0 ≤ T ≤ Cv/Ca . 0,08)
Sa(T) = 2,5 ags0
(para Cv/Ca . 0,08 ≤ T ≤ Cv/Ca . 0,4) (2.4)
Sa(T) = ags1/T
(para T ≥ Cv/Ca . 0,4)
(2.3)
(2
(2.5)
14
O espectro de resposta de projeto é apresentado na figura a seguir:
Figura 2.9 - Variação do espectro de resposta de projeto Sa/ ags0 em função do período (T).
(Fonte : NBR 15421/2006).
2.3 Fatores do movimento sísmico
Os fatores que influenciam o movimento sísmico são ligados a origem do mesmo,
ao trajeto percorrido, do hipocentro ao epicentro, e as condições locais próprias. Segundo
PECKER (1984, p. 24-25), para que se esteja em condições de avaliar a natureza do
movimento sísmico sobre o local é necessário conhecer a influência destes fatores e os
quantificar.
2.3.1
Fatores ligados a origem
Esses fatores dependem da propagação das ondas ao longo da falha, das
dimensões da zona de ruptura e dos valores das tensões ao longo da superfície de ruptura.
Esses fatores são caracterizados pelo momento sísmico, pela queda de tensão, pela magnitude
e pela intensidade (PECKER, 1984, p. 25). A maneira mais usual de se caracterizar o
15
movimento sísmico devido aos fatores ligados a origem é através da magnitude e da
intensidade do mesmo.
2.3.1.1 Magnitude
A magnitude representa a quantidade total de energia liberada pelo sismo: a
violência doo sismo na sua fonte, No locall onde a crosta terrestre se rompe,
rompe em uma falha.
Quanto maior a dimensão da ruptura mais a magnitude se eleva (BALANDIER, 2003a, p.03).
A noção de magnitude foi introduzida por Richter para estimar a energia liberada
no foco de sismos locais e poder quantificá-los.
quant
los. A magnitude M é uma quantidade logarítmica
calibrada, ela é calculada a partir da amplitude do sinal registrado por um sismógrafo
(PECKER, 1984, p. 28):
(2.6)
Onde:
A é amplitude máxima do sinal;
T é o período;
R é a distância da origem;
C é um termo de calibração.
Essa magnitude M é bastante significativa para a engenharia dado que ela
corresponde à faixa de freqüências de vibração própria das obras usuais. O período
correspondente a magnitude das ondas de superfície é de 20 segundo, enquanto
enqua
que para
ondas de volume ele está compreendido entre 1 e 5 segundos. A gama de freqüências geradas
na ocasião de um sismo é muito grande, mas seu registro é limitado principalmente pela
instrumentação (LESTUZZI; BADOUX, 2008, p. 19). Existem várias relações
rel
empíricas
relacionando a energia liberada durante um sismo com sua magnitude M, uma bastante usual
é seguinte (PECKER, 1984, p. 278):
16
(2.7)
Nota-se
se que um aumento de um grau da magnitude corresponde a uma energia
liberada 30 vezes maior. Os sismos
sismos devastadores têm em geral magnitude superior a 6,5, a
maior magnitude foi registrada como 8,5. Os sismos de magnitude inferior a 3 não são
percebidos pelo homem (PECKER, 1984, p. 29). Ressalta-se
Ressalta se que magnitude corresponde à
medição da energia liberada, possuindo
possuindo um valor único e podendo ser medida em todos os
lugares do planeta em que se tenham sentido as ondas sísmicas.
2.3.1.2 Intensidade
Pode-se
se mensurar um sismo qualitativamente através de sua intensidade medida
na escala de danos Mercalli. A intensidade mede
mede o efeito de um sismo ela permite quantificar
e comparar os sismos históricos. Através dela é possível também descrever a extensão dos
efeitos dos sismos (LESTUZZI; BADOUX, 2008, p. 29).
A intensidade corresponde a uma medida subjetiva da força do sismo em função
das ondas que se apresentam em cada lugar. Geralmente, quanto mais distante se encontre o
epicentro, menor será a intensidade e conseqüentemente os danos ocasionados.
17
Figura 2.10 - Relação entre a magnitude na escala de Richter e a intensidade na escala de Mercalli.
(Fonte: http://rogeografo.files.wordpress.com)
2.3.2
Fatores ligados ao trajeto percorrido
Durante o trajeto das ondas sísmicas surgem heterogeneidades, superfícies de
descontinuidade e barreiras naturais que podem refletir e refratar essas ondas ou até convertêlas em ondas Rayleigh e ondas Love. Parte da energia transportada por estas ondas é absorvida
pelo meio que elas atravessam em razão do próprio amortecimento ou o do material.
Todos estes fenômenos afetam a natureza do movimento sísmico, eles prolongam
os efeitos de origem do movimento e diminuem sua amplitude modificando o seu conteúdo
espectral (PECKER, 1984, p. 30).
18
2.3.3
Fatores ligados às condições locais
As condições topográficas, as interações solo-estrutura e os efeitos locais ligados
a geologia do local modificam a natureza do movimento sísmico. O fenômeno de interação
solo-estrutura pode alterar a natureza do movimento transmitido a um edifício em relação ao
movimento real do solo. As fundações de grandes dimensões, do tipo radier, podem, por
exemplo, filtrar as altas freqüências (PECKER, 1984, p. 31).
As ondas sísmicas sofrem modificações nas interfaces de camadas geológicas de
características diferentes a partir da origem. À medida que se aproximam da superfície, elas
encontram condições geológicas que podem perturbá-las mais intensamente. O efeito local
pode assim ser definido como uma modificação dos abalos sísmicos na superfície como
resultado de condições locais particularmente desfavoráveis (LESTUZZI, 2008, p. 17).
Figura 2.11 – Sismo de 8 de junho em Martinique
(Fonte: BALANDIER, 2003ª).
Os diversos registros de sismos indicam um comportamento dinâmico bem
variável para os diversos locais de registro. Pode-se checar que o valor das acelerações varia
sensivelmente de um local a outro assim como a duração do sismo. Configurações
geomorfológicas, tais como solos moles ou de baixa compacidade; descontinuidade lateral e
topografia atuam de forma a favorecer o efeito de amplificação do solo.
19
O efeito local ligado às camadas superficiais de terra mole é de grande
importância. Esta amplificação é devida a passagem da interface rocha-solo mole e,
sobretudo, ao fato que as ondas se mantêm presas dentro da camada de solo mole onde elas
rebatem e se reforçam, conforme Figura 2.12. O reforço das ondas aumenta a duração e muda
a freqüência dominante imprimida ao local, isso acentua ainda mais o impacto das
solicitações sísmicas (LESTUZZI, 2008, p. 18-19).
Figura 2.12 - Efeito local devido aos reforços das ondas presas na camada de solo mole
(Fonte: LESTUZZI, 2008, p.19)
20
3
CARREGAMENTO SÍSMICO APLICADO ÀS ESTRUTURAS
Faz-se necessária uma análise das características dos efeitos provocados nas
estruturas devido às solicitações sísmicas e suas conseqüências, dado o caráter singular em
que esses esforços atuam.
3.1 Características do carregamento sísmico aplicado
É precisamente o caráter horizontal das acelerações sísmicas que é
particularmente temível para as estruturas que não são previstas para resistir a tais cargas. As
solicitações às quais as estruturas devem habitualmente resistir são na grande maioria
verticais. Nos edifícios, é o peso próprio que domina. O vento diferentemente do peso próprio
age sobre as estruturas de maneira horizontal, mas em intensidades geralmente bem menores
que a dos sismos.
Figura 3.1 - A característica horizontal das solicitações sísmicas
O aspecto cíclico do sismo deixa marcas características, tais como as fissuras em
cruz em elementos frágeis como as paredes de alvenaria (Figura 3.2). Associado ao fato que
os sismos solicitam as estruturas levando a deformações plásticas, o aspecto cíclico é
particularmente destruidor, pois ele está ligado a uma degradação rápida e progressiva da
resistência da estrutura (LESTUZZI, 2008, p. 10-11).
21
Figura 3.2 - Fissuras em cruz nas construções
Durante um sismo a base do edifício, até então imóvel, sofre bruscos movimentos
em todas as direções durante no máximo algumas dezenas de segundos, antes de tornar-se
estático novamente. Os movimentos da base sendo rápidos e bruscos fazem com que os
andares não os assimilem instantaneamente em razão da sua massa, seguindo o movimento
com um tempo de retardo. Quanto maior a massa, maior a força necessária para acelerar,
desta forma, maior é o tempo de retardo. Os andares são submetidos a tempos de retardo
diferentes de acordo a sua elevação, de forma que o conjunto do edifício se coloca a vibrar
como uma corda de violão. O caráter dinâmico das solicitações sísmicas se traduz então por
uma resposta oscilatória da estrutura (Figura 3.3). As cargas habituais como o peso próprio ou
as cargas úteis, por exemplo, agem seja de maneira permanente ou de maneira muito lenta, tão
lenta que não tem poder para colocar a estrutura a vibrar. As cargas dinâmicas tradicionais,
como o vento ou o tráfego têm uma intensidade geralmente fraca em vista das cargas
permanentes (LESTUZZI, 2008, p. 13-14).
Figura 3.3 - Oscilações da estrutura frente a um abalo sísmico
22
A interação das solicitações da estrutura com o ritmo das variações da solicitação
sísmica pode amplificar a esta última. O pior dos casos se dá quando estas duas freqüências
são iguais, este fenômeno é conhecido como ressonância, neste fenômeno as deformações da
estrutura crescem teoricamente até o infinito. No entanto, os sismos são geralmente curtos
demais e pouco regulares para verdadeiramente entrar na fase de ressonância (LESTUZZI,
2008, p. 14).
A solução extrema para sismos consiste em separar a estrutura do subsolo e a
colocando sobre estruturas de apoios flexíveis e deformáveis, também conhecido como
isolação sísmica, desta forma o sismo não age mais sobre toda a estrutura, somente os apoios
são solicitados por deformações relevantes (LESTUZZI, 2008, p. 16).
3.2 Danos característicos provocados por sismos
LESTUZZI (2008, p. 22) classifica os danos ocasionados pelos carregamentos
sísmicos nas seguintes categorias:
a) colapso em torta;
b) fissuras em cruz;
c) pavimento flexível ou soft-storey;
d) coluna cativa e coluna curta;
e) martelamento;
f) liquefação.
Um
detalhamento
de
cada
um
desses
itens
supracitados
será
feito
subseqüentemente.
3.2.1
Colapso em torta
Evidentemente para resistir às solicitações sísmicas horizontais, a estabilização
lateral da estrutura é primordial. Esta requer elementos verticais capazes de suportar as cargas
horizontais sem se deformar demasiadamente. Estes elementos podem ser muros portantes,
pórticos ou contraventamentos. No entanto, mesmo em regiões sujeitas a uma intensa
23
atividade sísmica, grande parte dos edifícios é dotada de uma estabilização lateral
notadamente insuficiente ou até mesmo inexistente. Este tipo de negligência se traduz
freqüentemente por um colapso geral da estrutura, o conhecido colapso em torta (Figura 3.4)
(LESTUZZI, 2008, p. 22-23).
Figura 3.4 - Colapso em torta
3.2.2
Fissuras em cruz
As fissuras em cruz nas paredes são a assinatura típica das solicitações sísmicas.
Desta forma elas colocam em evidência o caráter cíclico, assim como a direção principal
horizontal da ação sísmica. Os esforços horizontais provocam uma ruptura oblíqua de 45° nas
paredes. A forma de cruz decorre do fato que a ação sísmica não é exercida unicamente em
uma só direção, mas sim se invertendo várias vezes durante o evento. As fissuras em cruz
(Figura 3.5) aparecem principalmente nas paredes em alvenaria, pois estes apresentam uma
baixa resistência à tração. Uma vez a fissura em cruz formada, os danos vão se seguindo com
a abertura de fissuras até a ruptura do elemento e o colapso eventual da estrutura. Além disso,
as paredes em alvenaria são especialmente sensíveis as solicitações transversais (fora do seu
plano) (LESTUZZI, 2008, p. 23-24).
24
Figura 3.5 - Fissuras em cruz caracterisicas em paredes de alvenaria
(Fonte: LESTUZZI, 2008, p. 24)
3.2.3
Pavimento flexível
O primeiro andar dos edifícios é geralmente destinado a instalações comerciais e
deve então oferecer um espaço máximo possível. Por esta razão, ele é liberado dos elementos
estruturais que ocupam muito espaço, como paredes portantes. Esta configuração implica em
um comportamento sísmico particularmente desfavorável, pois o prédio pode ceder sobre seu
térreo. Quando os elementos de estabilização são interrompidos em um pavimento as
deformações locais se concentram nas extremidades dele, levando freqüentemente ao colapso
da estrutura (Figura 3.6). O prolongamento dos elementos de estabilização até as fundações
constitui uma boa alternativa para evitar este tipo ocorrência (LESTUZZI, 2008, p. 24).
Figura 3.6 - Pavimento flexível ou soft-storey
25
3.2.4
Coluna cativa e coluna curta
Outro problema corrente diz respeito às colunas. Trata-se das colunas cativas e
colunas curtas. Estes dois fenômenos são aparentemente relacionados e são freqüentemente
reunidos sob a denominação de short column. A coluna torna-se cativa quando ela é impedida
de se deformar em uma parte de sua altura por outro elemento, como uma parede de alvenaria.
Assim, os mecanismos da coluna cativa são geralmente ligados a descontinuidades das
paredes de vedação em alvenaria. As descontinuidades são devidas, por exemplo, a presença
de interrupções nas paredes ou janelas, este tipo de problema se notabiliza por causar acúmulo
de tensões em locais não previstos (Figura 3.7) (LESTUZZI, 2008, p. 24).
O mesmo problema é encontrado em colunas curtas. Tecnicamente o problema
provém da variação dos esforços de flexão sobre um pequeno comprimento, que provoca uma
ruptura frágil por esforço cortante (LESTUZZI, 2008, p. 26).
Figura 3.7 - As colunas com suas deformações laterais impedidas em uma parte de sua altura
3.2.5
Martelamento
Sabendo que os edifícios são sujeitos a deformações horizontais durante um
sismo, dois prédios vizinhos podem entrar em colisão se o espaço que os separa for
insuficiente. O martelamento ou entrechoque de prédios constitui um dano sísmico típico de
zonas urbanas. O perigo é particularmente importante se os prédios são de alturas diferentes,
pois eles não oscilam de forma parecida, em razão de suas características dinâmicas diferentes
(freqüências fundamentais), aumentando a possibilidade de colisão quando suas direções de
movimento se opuserem. Se os pavimentos coincidem as lajes são percutidas e os danos são
26
limitados geralmente em torno da zona de contato. Os danos são maiores se os pavimentos
são deslocados (Figura 3.8). As alturas de pavimentos não correspondendo constituem, então,
a situação mais desfavorável, pois as lajes percutem com violência nas colunas do prédio
vizinho, podendo mesmo lhe partir de forma abrupta. Para evitar o martelamento, é necessário
afastar os prédios vizinhos inserindo uma junta parassísmica (LESTUZZI, 2008, p. 30).
Figura 3.8 - Exemplo de prédios vizinhos que foram sujeitos ao martelamento
3.2.6
Liquefação
A liquefação ou perda da resistência do solo da fundação é um fenômeno que provoca em certos casos danos em
larga escala (
Figura 3.9). Uma camada de terra móvel na superfície pode amplificar de maneira
muito significativa os abalos sísmicos. Trata-se na maioria das vezes de areias finas pouco
compactadas e saturadas, o fenômeno da liquefação pode aparecer induzindo um
comportamento momentaneamente parecido com o de um líquido. Intuitivamente pode-se
explicar o fenômeno da liquefação da maneira seguinte: sob o efeito dos abalos, os grãos de
areia procuram se compactar para ganhar assim volume, mas se deslocando pela
compactação,
eles
(LESTUZZI, 2008,
flutuam.
p. 32).
27
Figura 3.9 - Exemplo de prédios que tiveram grandes recalques nas fundações devido a liquefação
4
CONCEITOS DA CONSTRUÇÃO PRÉ-MOLDADA
4.1 Tipo de elementos em sistemas estruturais incorporando o concreto pré-moldado
Elementos de concreto pré-moldado são usados mundialmente como sistemas
estruturais em vários países propensos a terremotos. O boletim 27, relatório de estado da arte,
“seismic design of precast concrete building structures”(2003) da Federação Interncional de
Concreto, “FIB”, afirma que sistemas de diagramas de lajes, pórticos, paredes estruturais e
pórtico-parede que emulam a construção de concreto moldado no local podem ser usados para
construção de prédios que resistam aos carregamentos sísmicos laterais. Elementos de
concreto pré-moldado podem também ser fixados através de conexões dissipadoras de energia
ou outro sistema de amortecimento sísmico que forneça segurança às estruturas resistentes
sem emular o desempenho do concreto moldado no local.
4.1.1
Pavimento de concreto pré-moldado
El DEBS (2000, p.254) expõe que os tipos de componentes de laje mais
difundidos são:
a) elementos de seção TT;
b) elementos de laje alveolar, com ou sem previsão de capa de concreto;
d) nervuras pré-moldadas;
c) elementos de pré-laje.
Os elementos de seção TT podem ser empregados sem ou com capa de concreto
moldado no local, formando elemento composto. Este tipo de elemento é particularmente
interessante para grandes vãos. São geralmente executados em concreto protendido e podem
ser empregados na faixa de vãos de 5m a 30m (EL DEBS, 2000, p.254).
28
Figura 4.11 – Dimensões e características dos elementos de seção TT
(Fonte: EL DEBS, 2000, p.254).
Os elementos de laje alveolar, assim como os de seção TT, podem ser sem ou com
capa de concreto moldado no local. Suas aberturas apresentam seção transversal
transversa de forma
circular, oval, “pseudo” elipse ou retangular. Este tipo de elemento é normalmente executado
por extrusão ou por fôrma deslizante e são normalmente de concreto protendido. Atendem
vãos de 5m a 15m, tendo larguras entre 1,0m e 1,20m e alturas entre
ent 150 mm e 300 mm (EL
DEBS, 2000, p.254-255).
Figura 4..2 – Formas de seções transversais dos painéis alveolares
(Fonte: EL DEBS, 2000, p.255)
As lajes formadas por nervuras pré-moldadas
pré moldadas apresentam vasto emprego no país
para faixa de vãos relativamente pequenos. Esse tipo de laje é constituído pelas nervuras prépré
moldadas e elementos de enchimento que recebem uma camada de concreto moldado
mo
no
local. Normalmente este tipo de laje atinge vãos da ordem de 5m com nervuras em concreto
29
armado, 10m com nervuras em concreto protendido e 10m com nervuras com armação
treliçada (EL DEBS, 2000, p.255-256).
p.255
Figura 4.3 – Lajes formadas por nervuras pré-moldadas
moldadas
Os elementos de pré-laje
pré
correspondem a painéis pré-moldados
moldados completados
comple
com
concreto moldado no local. A parte que recebe o concreto moldado “in loco” pode ser sem ou
com elementos de enchimento, formando seções maciças ou vazadas. Os painéis podem ser
unidirecionais, de largura padronizada, podendo ser em concreto armado
armad ou protendido, ou
bidirecionais, executados para aplicações específicas,
específicas, sendo de concreto armado.
Figura 4.4 – Lajes formadas por elementos tipo de “pré-laje”
laje”
30
Componentes de lajes de concreto pré-moldado devem ser detalhados de modo
que acomodem os deslocamentos localizados que são impostos pelas ações do sistema
primário resistente ao carregamento lateral. Os dois procedimentos usados para acomodar as
ações localizadas que podem impactar no projeto dos elementos de lajes pré-moldadas são
(FIB, 2003, p.35):
a) Isolar os componentes pré-moldados de qualquer grande demanda de
deslocamento, com suportes deslizantes e juntas compressíveis;
b) Reforçar os elementos pré-moldados de modo a fornecer ductibilidade
adequada para resistir os carregamentos gravitacionais requeridos durante, e
depois, dos deslocamentos impostos.
4.1.2
Vigas pré-moldadas
A Figura 4.5 mostra as seções transversais mais empregadas nas vigas prémoldadas.
Figura 4.5 – Seções transversais mais utilizadas nas vigas
A
Tabela 4.1 mostra as dimensões padronizadas para seções retangulares, com a
indicação das seções transversais recomendadas pela FIP, na Europa.
31
Tabela 4.1- Dimensões recomendadas de seção transversal das vigas segundo a FIP
(Fonte: EL DEBS 2000, p.252)
b/h
300
400
200
X
X
500
600
250
X
X
300
X
X
X
X
X
400
700
800
X
500
Medidas em mm.
As vigas dos pisos nos edifícios são de altura constante, por questão de utilização.
As vigas de seção retangular atingem vãos da ordem de 15m, ao passo que as vigas de seção I
são empregadas na faixa de 10m a 35m. Excluindo-se as vigas de pequenos vãos, o concreto
protendido é mais apropriado para as demais (EL DEBS, 2000, p.252).
Vigas de concreto pré-moldado podem ser projetadas com conexões que emulem
o desempenho sísmico do concreto moldado no local, podem ser fixadas nos apoios, ou
podem fazer parte de um sistema híbrido, com apoios finais pós-tensionados e com
dispositivos de amortecimento. Em cada caso, o projetista deve escolher a profundidade da
parte pré-moldada da viga de acordo com a seqüência de construção necessária. As opções
são (FIB, 2003, p.35):
a) A parte superior da viga pré-moldada se localiza na parte inferior das lajes prémoldadas. Esse método minimiza o peso da viga pré-moldada para o transporte
e içamento, e pode simplificar as conexões finais, mas esse sistema
normalmente requer sustentação ampla para suportar os carregamentos da
construção;
32
Figura 4.6 – Tipo 1 de viga pré-moldada
(Fonte: FIB, 2003, p.37)
b) A parte superior da viga pré-moldada coincide com a parte superior das lajes
pré-moldadas. Esse método reduz os momentos de continuidade nos apoios, e
pode reduzir a demanda de ductilidade dos pilares;
Figura 4.7 - Tipo 2 de viga pré-moldada
(Fonte: FIB, 2003, p.37)
c) A viga é completamente pré-moldada, até o nível de acabamento da laje. Esse
método simplifica a construção, mas exige apoios adequados para as lajes prémoldadas e considerações cuidadosas das tolerâncias de construção e
compatibilidade de deslocamento;
33
Figura 4.8 - Tipo 2 de viga pré-moldada
(Fonte: FIB, 2003, p.37)
4.1.3
Pilares pré-moldados
A Tabela 4.2 expõe as dimensões de seção transversal mais utilizadas na Europa.
Destaca-se que as seções mais empregadas são as quadradas e retangulares. A Figura 4.9
mostra as formas de pilares mais utilizadas. Em geral os pilares apresentam seções
transversais constantes, a variação contínua de seção pode ser empregada, mas é incomum. O
comprimento do pilar pode atingir até 30m, entretanto, deve-se limitá-lo à 20m por razões
econômicas. Esses pilares são usualmente em concreto armado, mas podem ser também em
concreto protendido quando forem sujeitos a momentos fletores elevados (EL DEBS, 2000,
p.249-251).
Tabela 4.2 - Dimensões mais comuns de seção trasversal de pilares segundo a FIP
(Fonte: EL DEBS 2000, p.249)
b/h
200 300
200
300
X
400
500
Circular
X
Medidas em mm.
400
500
600
>600
X
X
X
X
X
X
X
X
X
34
Figura 4.9 – Seções transversais utilizadas nos pilares
Figura 4.10 – Características e elementos
elementos acessórios dos pilares de seções quadrada e retangular empregados no
Brasil (Fonte: EL DEBS, 2000, p.251).
Os pilares pré--moldados
moldados podem ser da forma de uma só peça, para estruturas
pouco elevadas, ou podem ser conectados para cada pavimento. Existe
Existe uma grande variedade
para os métodos de conexão dessas peças, mas o objetivo geral é fornecer um apoio
temporário seguro para permitir a conexão rápida e simples das vigas nos pilares.
35
4.1.4
Paredes estruturais pré-moldadas
Os elementos dos sistemas de paredes podem fazer parte dos sistemas estruturais
de parede portante, de contraventamento como núcleos e paredes ou elementos de
fechamento. Quanto à seção transversal, os elementos pré-moldados podem ser maciços,
vazados, nervurados ou sanduíche. Os painéis podem ser dispostos na direção vertical ou na
direção horizontal. O dimensionamento desses painéis para os sistemas de parede portante ou
de contraventamento são feitos a partir dos esforços de compressão e de flexão da análise
estrutural (EL BEBS, 2000, p.259).
Figura 4.11 – Exemplos de utilização de painel TT em fechamento
Os painéis de fechamento são projetados para transferir seu peso próprio e a ação
do vento para a estrutura principal. Portanto, a escolha dos movimentos liberados e
posicionamento das ligações entre o elemento de fechamento e a estrutura principal são de
fundamental importância no comportamento, tanto dos painéis como da estrutura.
El DEBS (2000, p.259-260) sugere as seguintes recomendações de projeto de
ligações:
a) O sistema de ligações deve ser de forma a resultar em sistema estaticamente
determinado;
b) As ligações devem acomodar as variações volumétricas e deformações da
estrutura principal.
36
Paredes de concreto pré-moldado podem emular uma construção de concreto
moldado no local, com barras de reforço no concreto ou com juntas grauteadas.
Alternativamente, podem ser projetadas com ligações discretas que são capazes de dissipar
energia através de conexões dúcteis ou dispositivos de amortecimento (FIB, 2003, p.39).
4.2 Tipos de conexões entre os elementos de concreto pré-moldado de pórticos e de
paredes estruturais
A construção de pórticos e paredes estruturais incorporando elementos de
concreto pré-moldado geralmente se divide em duas categorias distintas; seja em sistemas de
equivalência monolítica, seja em sistemas de articulações. A distinção entre esses tipos de
construção é baseada no projeto das ligações entre os elementos de concreto pré-moldado.
4.2.1
Sistemas de equivalência monolítica
As ligações entre os elementos de concreto pré-moldado de sistemas de
equivalência monolítica podem ser subdivididas em duas categorias (FIB,2003, p.40):
a) Ligações
fortes
de
ductibilidade
limitada,
projetadas
para
serem
suficientemente resistentes em comparação às ligações que permanecem no
regime elástico quando a construção está satisfazendo a demanda de
ductibilidade imposta pelo sismo.
b) Conexões dúcteis, projetadas para a força necessária. Possuem barras de
reforço longitudinal ou barras grauteadas pós-tensionadas na região em que se
espera superar o regime elástico na ocorrência de um sismo de grande
magnitude.
4.2.2
Sistemas de articulações
As ligações entre os elementos de concreto pré-moldado de sistemas de
articulações são mais fracas que os elementos de concreto pré-moldado. Sistemas articulados
não emulam o desempenho de uma construção de concreto moldado no local. As conexões
37
entre os sistemas de articulações de concreto pré-moldado podem ser subdivididas em duas
categorias (FIB,2003, p.41):
a) Conexões de ductibilidade limitada, esse tipo de conexão é formado por barras
reforçadas soldadas ou parafusadas ou chapas de aço e rejuntamento. Essas
conexões não se comportam como parte de uma construção monolítica e
geralmente têm ductibilidade limitada.
b) Conexões dúcteis, nesse tipo de conexão barras pós-tensionadas são usadas
para ligar os elementos de concreto pré-moldado. Essas conexões podem ser
projetadas para atuar de forma dúctil.
4.3 Considerações de serviço
O desempenho sísmico de uma estrutura de concreto pré-moldado pode ser
afetado se o projetista não considerar os efeitos de longo termo das condições de
carregamento de serviço. Áreas de apoio reduzidas ou danificadas podem falhar
prematuramente quando submetidas a acelerações e deslocamentos verticais até mesmo de
sismos moderados. A corrosão pode reduzir severamente a resistência a longo termo das
conexões sísmicas.
4.3.1
Efeitos de temperatura
Os movimentos térmicos podem reduzir o comprimento mínimo dos apoios das
unidades de pavimentos pré-moldados em estruturas com ampla área de estacionamento. É
recomendado o uso de conexões que limitem os movimentos para assegurar que a redução da
temperatura no clima frio ocorra de maneira uniforme em todas as ligações de controle, ao
invés de atuar na ligação de menor resistência ao movimento (FIB, 2003, p.46).
4.3.2
Fluência e retração
Os efeitos da fluência e da retração podem levar as conexões dos diagramas de
pavimentos a serem sobrecarregadas antes mesmos de serem submetidas a qualquer
38
carregamento sísmico. Os detalhes das conexões devem ser projetados com ductilidade
suficiente para acomodar os efeitos da fluência e da retração, nas unidades de pavimentos,
sem provocar sobrecargas laterais nos elementos verticais da estrutura. Estruturas de base
isolada são capazes de acomodar os movimentos devido à fluência e à retração sem gerar
forças restritivas elevadas. Devem-se prever folgas para acomodar os movimentos devido a
esses efeitos (FIB, 2003, p.46-47).
4.3.3
Durabilidade
Estruturas pré-moldadas resistentes a sismos devem ser detalhadas para
apresentarem durabilidade adequada. Em algumas regiões a proteção a corrosão e uma
manutenção regular são essenciais. Detalhes das conexões e programas de manutenção devem
ser previstos no projeto de modo a assegurar que a estrutura resista à força máxima de projeto
e apresente a ductilidade necessária das conexões por toda a vida útil (FIB, 2003, p.47).
4.3.4
Fogo e desempenho acústico
Lacunas sísmicas, instaladas para assegurar que as partes separadas da estrutura
deformarão sem a influência das partes adjacentes, devem ser mantidas, apesar da necessidade
de cumprir a classificação quanto à resistência ao fogo e aos requisitos acústicos. Exigências
de separação semelhantes ocorrem em torno de elementos não-estruturais (como escadas ou
rampas). Compostos de fibras compressíveis têm se mostrado adequados a esse propósito
(FIB, 2003, p.47).
39
5
CONSIDERAÇÕES SOBRE A CONSTRUÇÃO SÍSMICA COM CONCRETO
PRÉ-MOLDADO
O concreto pré-moldado tem sido empregado com êxito em estruturas sismosresistentes em várias partes do mundo. Experiências de sismos e testes de laboratório
comprovam que elementos de concreto pré-moldado podem ser utilizados com êxito em
estruturas projetadas para resistir aos abalos sísmicos despendendo-se atenção cuidadosa para
o projeto e construção de tais estruturas. Estruturas de concreto pré-moldado projetadas e
construídas sem as devidas precauções apresentaram um comportamento não satisfatório na
maioria dos terremotos aos quais foram submetidas. Tal fato provocou certa insegurança em
alguns países quando da utilização dessas estruturas para resistir a sismos. Estruturas
projetadas para regiões sísmicas apresentam algumas considerações a mais em relação aquelas
estruturas tradicionais projetadas para o carregamento devido à gravidade e ao vento.
Os fatores que são importantes no projeto de edifícios de concreto pré-moldado
incluem:
• Experiência dos empreiteiros da região;
• A trajetória das forças internas nos diferentes estágios da construção;
• Os limites e disponibilidade do guindaste;
• Tolerâncias de projeto e execução;
• Distância de transporte, limites de peso e de tamanho;
• Escoramento temporário.
5.1 Vantagens e desvantagens da incorporação de concreto pré-moldado na construção
40
O boletim 27, relatório de estado da arte, “seismic design of precast concrete
building structures”(2003) da Federação Interncional de Concreto (FIB), destaca como
principais vantagens da incorporação de concreto pré-moldado na construção:
• A possível rapidez da construção (o que leva a uma ocupação antecipada do
prédio e pagamento de juros menores);
• A elevada qualidade das peças de concreto pré-moldado (resultado da
industrialização do processo ou da pré-fabricação no canteiro e do uso de
materiais de melhor elevada);
• O aumento da durabilidade (resultado do aumento da qualidade da construção);
• A redução do trabalho local (o que compensa parcialmente a falta de
trabalhadores qualificados);
• O melhor aproveitamento do canteiro de obras;
• O fato de o pós-tensionamento ser um método conveniente de conexão dos
elementos de concreto pré-fabricado (elementos de concreto pré-fabricado
podem ser feitos em estruturas contínuas utilizando tendões pós-tensionados);
• A possível redução dos danos durante terremotos.
Esse boletim destaca ainda como principais desvantagens da incorporação de
concreto pré-moldado na construção:
• Desenvolvimento de métodos econômicos e efetivos para efetuar a ligação das
peças bem como para resistir às ações sísmicas e assegurar a integridade da
estrutura (projeto e construção convencionais de estruturas de concreto prémoldado, considerando-se todos os aspectos da resistência sísmica, nem
sempre se adéquam a realidade exigida);
• As técnicas construtivas utilizadas para a ligação dos elementos de concreto
pré-moldado podem não ser familiares, fazendo com que a construção
necessite de um excelente controle de qualidade (a execução incorreta das
ligações entre as peças de concreto pré-moldado levou a comportamentos
catastróficos das estruturas durante alguns terremotos anteriores);
• Guindastes reforçados podem ser necessários para erguer peças pesadas de
concreto pré-moldado;
• É necessário trabalhar com tolerâncias relativamente pequenas (o sucesso da
construção com concreto pré-moldado requer que projetistas, fabricantes e
41
empreiteiros acordem em termos das variações dimensionais e que tenham
completo entendimento das tolerâncias necessárias).
5.2 Critérios de desempenho
Os critérios de desempenho requeridos para estruturas incorporando o concreto
pré-fabricado adotado no projeto são geralmente similares àqueles para construções com
concreto moldado no local.
Para pórticos e paredes estruturais, que resistam à momentos, construídos com a
incorporação de elementos de concreto pré-moldado, o desafio no projeto e execução é
encontrar meios práticos e econômicos de ligar esses elementos uns aos outros de maneira a
assegurar rigidez, força, ductibilidade e estabilidade adequadas. O projeto deve considerar os
carregamentos durante os estágios da construção e durante a vida útil da estrutura. O projeto
deve assegurar que a estrutura tenha desempenho satisfatório para faixa de carregamento de
serviço e níveis de desempenho que se aproximem do estado limite último (FIB, 2003, p.02).
De acordo com Priestley (2000), quatro níveis de desempenho podem ser
definidos para o concreto moldado no local convencional, que são geralmente os mesmos para
estruturas de concreto pré-fabricado. Eles são:
• Totalmente operacional. Facilidade contínua de operação com danos
desprezíveis.
• Operacional. Facilidade contínua de operação com pequenos danos e
perturbações para serviços não essenciais.
• Segurança da vida.
• Próximo do colapso. A segurança da vida está em risco, os danos são graves, o
colapso estrutural é impedido.
É considerado por Priestley (2000) que dois estados limites de desempenho
devem ser considerados no projeto, os estados limites de desempenho denominados
totalmente operacional e de controle de danos. Este último seria entre os limites de
desempenho operacional e segurança da vida e dependeria da importância e função da
estrutura.
42
O estado limite totalmente operacional para estruturas de concreto pode ser
definido pelo esmagamento do concreto e pelas inaceitáveis largas aberturas de fissuras
residuais. Nota-se que é a abertura de fissuras residuais, ao invés da largura máxima das
fissuras que ocorrem durante uma resposta sísmica, que é de maior interesse [Priestley
(2000)].
A definição de um limite totalmente operacional é menos evidente, desde o início
dos danos não-estruturais, ela depende dos detalhes de projeto fornecidos para separar
elementos não-estruturais de elementos estruturais.
O estado limite de controle de danos pode também ser definido pelos limites de
tensão do material e pelos limites de tração do projeto, destinados a limitar os danos nãoestruturais.
5.3 Lições de terremotos anteriores
5.3.1
Desempenho das estruturas de concreto bem projetadas e bem detalhadas
Fintel (1986) relata que no sismo de 1985 no México apenas cinco dos 265
prédios que colapsaram ou sofreram danos severos usavam elementos de concreto prémoldado. Ele afirma também que na época havia vários prédios e estacionamentos de vários
pavimentos na Cidade do México que foram submetidos a oscilações severas sem apresentar
danos. Rodríguez (2000) relata que várias estruturas de concreto foram construídas com
pilares de vários níveis fazendo a ligação viga-pilar através de soldagem das barras inferiores
e superiores da viga na articulação, sendo a região concretada em seguida.
O desempenho apresentado pelas construções de concreto pré-moldado no sismo
de 1988 na Armênia demonstra claramente a importância de um projeto sísmico apropriado
[EERI (1989) e Fintel (1995)]. As estruturas predominantes tinham de um a cinco andares,
compostas por lajes alveolares e paredes de alvenaria. Cerca de 90% dessas estruturas
colapsou devido a conexões impróprias do piso com as paredes e a natureza frágil das paredes
de alvenaria. Várias estruturas reticuladas de concreto colapsaram devido a projeto e
detalhamento inadequados. No entanto, em contraste com esses projetos inadequados de
estruturas, grandes painéis estruturais de concreto pré-moldado apresentaram comportamento
43
excelente. Essas estruturas tinham um andar de painéis de parede que eram interconectados
por articulações de concreto armado moldado no local entre eles. Essas articulações tinham
bordas serradas para melhorar a transferência do cisalhamento e tinha buchas ao redor do
intertravamento de encontro das armaduras. O excelente desempenho desses grandes painéis
estruturais ilustra claramente o sucesso de um projeto e detalhamento adequados, apesar da
má qualidade da concretagem das juntas [EERI (1989)].
Park (1995) relata as tendências e pesquisas na Nova Zelândia com pisos de
concreto pré-moldado, pórticos resistentes a momentos e paredes. Os métodos usados para a
conexão dos elementos de concreto pré-moldado são tipicamente destinados a simular o
comportamento bem detalhado de construções de concreto armado moldado no local.
Subconjuntos incorporando esses novos métodos foram testados sob carga cíclica invertida
[Restrepo et al (1993)] e vários tipos dessas novas técnicas de construção têm sido utilizados
na prática [Park (1995)].
Muguruma et al (1995) descreve o desempenho de construções de concreto prémoldado na sequência do sismo de 1995 em Kobe no Japão, concluindo que essas estruturas
apresentaram um desempenho muito bom, atribuído as seguintes questões:
• Essas estruturas foram projetadas para níveis de força superiores aos demais
tipos de estruturas;
• O fato que prédios pré-moldados normalmente apresentam geometria regular
com plano simétrico dos elementos resistentes e distribuição uniforme da
massa e rigidez estrutural ao longo da altura;
• As estruturas de concreto pré-moldado normalmente são construídas com um
controle de qualidade mais rigoroso, maior resistência e concreto de qualidade
superior;
• Essas estruturas são construções novas, projetadas de acordo com as normas
mais recentes em vigor.
44
Figura 5.1 - Estrutura reticulada de um edifício de escritório e armazéns (“Logplace” – Azmbuja).
(Fonte: REGUENGO, 2010).
Figura 5.2 - Construção com paredes resistentes
(Fonte: REGUENGO, 2010).
5.3.2
Projeto e detalhamento inadequados de elementos dúcteis
Para estruturas baixas de concreto pré-moldado os pilares ou painéis de parede são
os elementos dúcteis, sendo o piso e o teto elementos projetados para serem mais resistentes
que esses elementos dúcteis dissipadores de energia, em conformidade com os princípios de
aceite da capacidade de projeto [Park e Paulay (1975)]. Nota-se que pórticos e paredes
estruturais antigos de concreto pré-fabricado muitas vezes têm apresentado péssimo
desempenho durante sismos.
45
As falhas observadas foram principalmente devido ao comportamento (não-dúctil)
frágil das conexões fracas entre os elementos pré-fabricados, dos conceitos no projeto e
detalhamento inadequados. Devido a isso, o uso do concreto pré-moldado foi abolido por
muitos anos em alguns países localizados em zonas de elevada atividade sísmica.
Várias estruturas em pórtico de concreto pré-moldado colapsaram durante o sismo
de 1988 na Armênia [EERI (1989)]. Essas estruturas tinham normalmente nove andares de
altura e eram compostas por lajes alveolares. Algumas dessas estruturas tinham paredes em
uma direção, mas essas normalmente continham grandes aberturas. As conexões viga-pilar
eram feitas através da soldagem das barras de aço das vigas em cantoneiras de aço salientes
dos pilares de concreto pré-moldado. Os diagramas do piso foram conectados de maneira
inadequada aos elementos dos pórticos. Pilares foram executados por soldagens das barras
verticais. Esse detalhe resultou em excentricidades das barras dos pilares nos encontros. Os
pilares foram detalhados com confinamento inadequado e tinham estribos ancorados em 90o
(Figura 5.3). Esses estribos tornavam-se ineficazes assim que o concreto de cobrimento de
desprendia devido aos movimentos bruscos.
Figura 5.3 - Os recobrimentos fragilizam as zonas sensíveis a fortes deformações plásticas.
(FONTE: LESTUZZI, 2008).
Vários prédios entraram em colapso durante o sismo de 1994 em Northridge nos
Estados Unidos. Essas estruturas eram compostas por pilares internos projetados apenas para
carregamentos verticais, sendo as cargas horizontais suportadas pelos pórticos externos. O
sistema dúctil, pouco detalhado, formado pelos pilares carregamento vertical interconectados
por um diagrama flexível levou a rupturas frágeis de vários pilares internos. Para pórticos
estruturais, os pilares devem ser capazes de desenvolver rótulas plásticas em suas bases sem
46
sofrer ruptura frágil devido ao cisalhamento, ancoragem inadequada e desconfinamento do
concreto.
5.3.3
Diagrama de ação inadequado
Assim como resistir aos carregamentos gravitacionais, as lajes precisam transferir
as forças sísmicas impostas para a estrutura portante através dos diagramas de ação. Conexões
para transferir as forças atuantes no diagrama e suporte para as unidades de concreto prémoldado adequados são os requisitos básicos para garantir a segurança da estrutura. É crucial
que os sistemas de lajes não entrem em colapso devido aos movimentos impostos pelos
sismos, o que reduziria a área de contato nos apoios dessas lajes pré-moldadas.
Existem vários exemplos de rupturas de diagramas no sismo de 1999 em Kocaeli
[Saatcioglu et al (2001), EERI (2000)]. Os diagramas que romperam eram muito flexíveis,
feitos com concreto de fibras onduladas ou finas folhas de metal e os painéis desses diagramas
eram conectados de maneira inadequada entre eles e entre os componentes estruturais.
Várias estruturas de concreto pré-moldado romperam devido à flexibilidade
extrema dos diagramas, em muitos casos houve colapso de construções industriais inacabadas
de concreto pré-moldado [EERI (2000)].
Muitos painéis de parede tilt-up apresentaram ruptura ou danos graves [EERI
(1994)]. Esse tipo de estrutura rompe principalmente devido as suas conexões insuficientes
com os diagramas. Um grande número de estruturas antigas foi revisto para melhorar essas
conexões.
5.3.4
Ligações fracas e detalhes de conexões
Pórticos de concreto pré-moldado com ligações tipo viga-pilar muitas vezes
romperam durantes sismos devido ao detalhamento inadequado. Uma importante causa disso
foi a ruptura frágil das armaduras nas proximidades das soldas. Vigas de concreto prémoldado apoiadas nos pilares precisam de conexões adequadas entre suas extremidades e as
47
superfícies de apoio para evitar o deslizamento para fora de seus suportes. Ligações tipo
parafusos com porcas devem ser muito mais rígidas e fortes o suficiente para resistir à força
total atuante no pilar.
Podem-se citar ainda como causa de colapso as separações inadequadas dos
elementos não-estruturais e entre as estruturas vizinhas.
6
PRINCÍPIOS BÁSICOS PARA CONCEPÇÃO DE ESTRURURAS SISMORESISTENTES
6.1 Princípio 1 – Simplicidade
O comportamento de uma estrutura simples é mais fácil de entender e de calcular.
O risco de se esquecer um fenômeno particular, como uma interação entre seções de rigidezes
distintas ou um acumulo de efeitos diferentes entre essas seções é mínimo.
6.2 Princípio 2 – Continuidade
Toda descontinuidade em um projeto de estruturas leva a uma concentração de
esforços e deformações. Uma estrutura descontinua é sempre indesejável, pois o mecanismo
de ruína ao qual ela é submetida é local. A dissipação de energia na estrutura deve ser
máxima, o que obtido através da interação com o máximo de elementos, de maneira a
constituir um mecanismo de ruína global, ao invés do local. O comportamento heterogêneo de
uma estrutura apresentando grandes descontinuidades é sempre uma fonte de problema, pois
ele torna delicada a análise da estrutura como um todo e dificulta o projeto correto dos nós
cruciais, os quais acumulam grandes deformações (PLUMIER, 2007, p.85-86).
48
O princípio de continuidade tem um impacto sobre o projeto das estruturas como
um todo. Ele se traduz também nos detalhes da estruturas e no acompanhamento da obra.
PLUMIER (2007) afirma que para o detalhamento da estrutura é necessário:
• Evitar as reduções de seção (almas ocas);
• Construir vigas e colunas com eixos que se interceptem;
• Evitar as mudanças bruscas de direção dos elementos portantes;
• Evitar mudanças bruscas de larguras dos elementos portantes; decorrendo que
as larguras das vigas e pilares devem diferir pouco;
• Elaborar um projeto cuidadoso das conexões dos elementos pré-moldados;
• Colocar as ligações de montagem (aço, sistemas industrializados de concreto)
ou os encontros (concreto armado) fora de zonas de alta concentração de
esforços.
Um aspecto particularmente importante para garantir a qualidade real do trabalho
realizado é o acompanhamento rigoroso da obra, em especial:
• O posicionamento dos elementos de concreto pré-moldado;
• A concretagem das suas conexões;
• O posicionamento correto das armaduras;
• A qualidade dos materiais utilizados.
Mesmo não sendo possível obter a elevada hiperestaticidade desejada, é
conveniente, em todo caso, evitar a ausência de qualquer ligação positiva. Assim, os
elementos simplesmente apoiados ficam retidos apenas devido ao atrito e uma vez que ele
tiver sido ultrapassado grandes deslocamentos podem ser produzidos. Esse problema pode ser
resolvido através de conexões flexíveis que entram em ação apenas no caso de sismos
(PLUMIER, 2007, p.86).
6.3 Princípio 3 – Regularidade em planta
O movimento sísmico horizontal é um fenômeno bidirecional. A estrutura do
prédio deve ser capaz de resistir às ações horizontais segundo todas as direções e os elementos
estruturais devem ter características de resistência e rigidezes similares nas duas direções
principais, o que se traduz pela escolha de formas simétricas. A forma ideal não é apenas
simétrica nos dois eixos, mais se aproxima da simetria de eixo, como indicado nas Figura 6.1
49
e Figura 6.2, pois desgastes importantes são geralmente observados na junção de seções em
estruturas compostas por várias secções perpendiculares. Considerações puramente flexionais
explicam esse fenômeno: a rigidez flexionada de acordo com as direções principais varia
muito em um edifício de planta rectangular. Isso é resultado da existencia de períodos
próprios diferentes de 2 peças perpendiculares submetidas a um simo de orientação dada,
tendo uma resposta (função do tempo) diferente e uma concentração de problemas na junção
dessas peças. Esse fato foi particularmente marcante em Bucareste depois do sismo de 1977,
do qual todos os imóveis localizados nos cruzamentos entraram em colapso ou se mostraram
mais degradados que outros. Essa observação de aplica também aos prédios em “H”, portanto
duas vezes siméstricos (PLUMIER, 2007, p.86-87).
Figura 6.1 - Formas favoráveis. Plantas simples com 2 eixos de simetria.
Figura 6.2 - Vista em planta dos edifícios. À esquerda: plantas simétricas e compactas. À direita: os efeitos
negativos da assimetria ou do caráter não-compacto.
O que é válido para a flexão do conjunto também é para a torção: os elementos
submetidos à torção devem ser distribuídos de maneira suficientemente simétrica. O
desrespeito desse princípio pode levar a uma deformação permanente da estrutura, como
indica a Figura 6.3.
50
Figura 6.3 - Influência da forma do edifício sobre os efeitos de torção. Concentração de esforços nos ângulos
internos (em cima), rotação permanente (em baixo)
(Fonte: PLUMIER, 2007, p.88)
6.4 Princípio 4 – Regularidade em elevação
Nesse caso, os princípios de simplicidade e de continuidade se traduzem por um
aspecto regular da estrutura primária, sem variação brusca da rigidez. Tais variações
provocam solicitações locais elevadas.
Figura 6.4 - Regularidade em elevação.
O princípio de distribuição contínua e uniforme dos elementos resistentes da
estrutura primaria exige que se assegure uma continuidade dos pilares e muros estruturais,
51
caso contrário pode ocorrer a situação de pavimento flexível (PLUMIER, 2007, p.88), como
indica a Figura 6.5.
Figura 6.5 - À esquerda: regularidade em elevação. À direita: pavimento flexível.
Os pavimentos flexíveis são bastante comuns nos edifícios porque normalmente o
pilotis necessita de uma grande área de circulação devido ao seu uso: comércio, escritórios,
recepção de hotéis, estacionamentos. Os pavimentos flexíveis são desaconselhados em zonas
sísmicas, pois são onde se concentra todas as deformações da estruturas, como indica a Figura
6.6.
Figura 6.6 - Edifícios com pavimentos flexíveis.
O resultado dessa disposição é normalmente o colapso do pavimento flexível,
provocando o colapso da estrutura. Essa situação é observada particularmente nos esqueletos
52
de concreto armado, onde os pilares solicitados em compressão não apresentam ductilidade
necessária para as solicitações de cisalhamento e flexão alternadas; e solicitados em tração
apresentam pouca resistência à flexão.
A solução é fornecer a esses pavimentos flexíveis uma rigidez comparável àquela
dos outros pavimentos, através de um contraventamento em fachada, por exemplo, ou da
dissociação dos pilares, e permitindo igualar a altura livre dos pilares da estrutura principal
(PLUMIER, 2007, p.89-90), como mostra a Figura 6.7. A norma norte-americana UBC 1994
limita a altura dos edifícios com pavimentos flexíveis a um andar sobre o pilotis e 9 m abaixo
do solo.
Figura 6.7 - Soluções para edifícios comportando pavimentos flexíveis.
As estruturas em pórticos nas quais são dispostos muros de vedação são
particularmente sujeitas ao colapso do pavimento flexível, pois sua análise no momento da
elaboração do projeto é geralmente feita considerando-se que a estrutura é um esqueleto em
pórticos e que as paredes de vedação são não-estruturais e intervêm apenas com sua massa. A
realidade pode ser muito diferente e duas situações indesejáveis podem ocorrer (PLUMIER,
2007, p.90):
a) As paredes de vedação são de alvenaria resistente, em contato com as vigas e
pilares, menos em um andar particular deixado “aberto”; nesse caso a estrutura
reage como um muro descontínuo e as deformações se concentram nos pilares
do pavimento flexível, “aberto”, ocorrendo o colapso do mesmo seguido pelo
colapso do edifício.
b) As parede de vedação são feitas de alvenaria resistente em contato com vigas e
pilares, mas nenhum andar é deixado “aberto”. Nesse caso, o sismo pode num
momento inicial destruir a alvenaria de vedação do pavimento de menor
rigidez, transformando-o em um pavimento flexível, ocasionando, então, o
mesmo fenômeno descrito anteriormente. A localização do pavimento que se
tornará flexível devido à ação sísmica inicial é aleatória, pois está ligada ao
53
caráter variável da resistência das alvenarias de vedação; geralmente esse
pavimento é o pilotis, onde o cisalhamento é máximo.
Figura 6.8 - Criação do pavimento flexível e colapso do andar.
6.5 Princípio 5 – Rigidez e resistência a torção
PLUMIER (2007, p.92) afirma que:
Uma resistência e uma rigidez apropriadas ao esforço de torção são necessárias para
limitar os movimentos do edifício e as solicitações dos elementos estruturais devido
a esse esforço. A disposição construtiva, clássica em zona sísmica, onde apenas um
núcleo central (caixa de escada e de elevador) constitui o único contraventamento,
oferece pouca rigidez à torção e pode levar a solicitações elevadas dos pórticos
periféricos [...].
Figura 6.9 - Uma grande distância entre os elementos paralelos favorece a resistência da estrutura à torção graças
à um braço de alavanca importante no plano horizontal.
54
6.6 Princípio 6 – Elementos estruturais verticais superdimensionados
A ruína dos elementos estruturais verticais de um prédio tem um impacto
catastófrico, pois ela provoca o colapso de um pavimento, que resulta no colapso total da
estrutura. É imprescindível que se evite à todo custo a ruína dos elementos verticais para
garantir a segurança. Algumas causas de vários modos de ruína (PLUMIER, 2007, p.97) são:
• Flambagem;
• Esmagamento (pouco dúctil em concreto armado);
• Cisalhamento alternado (frágil em concreto armado, dúctil em aço).
Em caso de forte movimentação do solo, o momento aplicado pelo sismo na
edificação combinado com a componente vertical do mesmo faz os pilares trabalharem a
tração, apesar da combinação das solicitações verticais dos efeitos sísmicos.
Na estruturas em pórtico de concreto armado, essa situação provoca uma perda
provisória da rigidez dos pilares tracionados e aumenta a solicitação em flexão dos pilares
comprimidos. Essas duas circunstâncias são catastróficas. Esses efeitos são considerados na
concepção do projeto, mas as incertezas no nível das ações não são transpassadas pela
ductilidade estimada (PLUMIER, 2007, p.98-99).
6.7 Princípio 7 – Criar condições de um mecanismo plástico global
6.7.1
Pilar forte-viga fraca
O princípio pilar forte-viga fraca para a formação de rótulas plásticas nas vigas em
vez dos pilares nos pórticos.
Nos edifícios, cuja estrutura principal é composta por pórticos, em que se deseja
que trabalhem no domínio plástico para o sismo de projeto, é fundamental para a segurança
que as deformações plásticas se desenvolvam nas vigas e não nos pilares.
PLUMIER (2007, p.100) justifica essa opção de desenvolvimento de rótulas
plásticas nas vigas pelos seguintes motivos:
55
a) É uma condição necessária para formar um mecanismo plástico da estrutura do
tipo global, implicando na formação de várias rótulas plásticas; ao contrário, a
formação de zonas plásticas nos pilares pode se limitar ao pavimento onde
surgirem as primeiras rótulas;
b) O efeito ação-deformação é menos importante nesse caso, conforme Figura
6.10;
c) Lajes e vigas mesmo danificadas de maneira grave não entram em colapso
individualmente. Elas ficam suspensas pelas armaduras ou pelas partes
restantes das conexões, enquanto que os danos nos pilares provocam
facilmente o colapso da estrutura;
d) É mais fácil de obter ductilidade para os elementos puramente fletidos.
Figura 6.10 - Na esquerda o objetivo de projeto viga fraca-pilar forte. Na direita as rótulas plásticas nos pilares
provocam efeitos de segunda ordem mais importantes.
A implicação prática desse princípio é a realização de pilares onde o momento
plástico é superior ao das vigas, o que corresponde a seções de vigas de altura menor que as
dos pilares, muito incomum fora de zonas sísmicas. Deve-se, portanto, evitar vigas-parede
sobre pequenos pilares.
Figura 6.11 - A regra viga fraca-pilar forte deve considerar a seção real dos elementos.
56
6.7.2
Barras diagonais plásticas
Barras diagonais plásticas ao invés das vigas e pilares em estruturas treliçadas
com barras centrais.
A flambagem de pilares ou vigas em uma estrutura treliçada com barras centrais é
uma situação de ruína. O único mecanismo plástico global e estável desejável se as diagonais
são delgadas é aquele em que elas se tornem plásticas em tração, conforme Figura 6.12,
enquanto que a contribuição da diagonal comprimida e flambada pode ser desprezada. O
dimensionamento das armaduras da estrutura deve criar condições de hierarquia das seções
levando ao mecanismo global plástico desejado, o que implica apenas em tornar as diagonais
plásticas na maior quantidade possível (PLUMIER, 2007, p.101-102).
Figura 6.12 - Mecanismo plástico global de uma estrutura treliçada com barras centrais. Deve-se evitar a
configuração da esquerda e preferir a da direita
6.8 Princípio 8 – Escolha racional das massas
A escolha de lajes leves de maior desempenho pode levar a uma redução das
quantidades e custos da estrutura e da fundação, já que as lajes representam boa parte da
massa de um edifício. Essa redução de preço da estrutura pode compensar os custos das lajes
de maior desempenho.
Considerando-se as massas correspondentes as ações de serviço, deve-se evitar
colocá-las em zonas da estrutura onde elas provoquem solicitações importantes de flexão ou
de torção. Assim, zonas de massas elevadas como bibliotecas, salas de arquivos, sala de
radiografia, devem se localizar no subsolo ou no pilotis afim de reduzir o cisalhamento e a
57
flexão. Afim de reduzir a torção, se esses locais estiverem em regiões elevadas, deve-se situálos o mais perto possível do centro de torção do prédio (PLUMIER, 2007, p.101-102).
6.9 Princípio 9 – Largura dos elementos de contraventamento
As forças horizontais equivalentes ao sismo são equilibradas na base da estrutura
por uma resultante de cisalhamento e um momento de flexão. Este último provoca trações
e/ou compressões no pilares ou paredes.
Podem-se reduzir os esforços correspondentes a essas solicitações na estrutura
aumentando-se a largura dos elementos de contraventamento (parede de concreto armado,
estrutura treliçada): o braço de alavanca dos esforços no plano vertical é aumentado, o que
tem ação constante para reduzir as solicitações, (PLUMIER, 2007, p.103), como indica a
Figura 6.13.
Figura 6.13 - A redundância e uma base larga garantem uma melhor distribuição das reações de apoio.
(FONTE: PLUMIER, 2007, p.103)
Nota-se, no entanto, que esse princípio é atenuado pela consideração do espectro
de resposta em aceleração:
• Para uma estrutura cujo período T corresponde ao trecho descendente do
espectro, o aumento da rigidez resultante do aumento da largura dos elementos
de contraventamento provoca um aumento da resultante de cisalhamento
horizontal, de maneira que não há necessariamente uma redução das
solicitações.
58
• Para uma estrutura cujo período T corresponde ao nível do espectro, a
resultante do cisalhamento horizontal é independente da rigidez e a redução de
solicitação é certamente eficaz.
6.10 Princípio 10 – Largura das fundações
As forças horizontais equivalentes ao sismo são equilibradas na base da estrutura
por uma resultante de cisalhamento e um momento de flexão. Este último provoca:
• trações na fundação;
• compressões na fundação;
• um risco de elevação da parte tracionada da base.
Assim como para os elementos da estrutura de contraventamento, pode-se reduzir
as solicitações na fundação fazendo-se um radier geral reforçado pelos muros em concreto
armado ao invés da fundação em sapatas. Esse radier distribui as reações pela maior superfície
possível, o que reduz os esforços aplicados ao solo, em caso de fundação direta, ou os
esforços nas estacas (PLUMIER, 2007, p.104-105), conforme a Figura 6.14. Esse opção de
redução dos esforços mostra-se interessante pois:
a) Ela facilita o respeito da condição “tensão calculada ≤ tensão admissível”;
b) As sapatas independentes oferecem um risco maior de comportamento
heterogêneo e recalque diferencial, pois a capacidade portante do solo
geralmente varia;
c) Existem sempre incertezas quanto ao nível exato de solicitações aplicadas à
fundação devido a várias razões.
59
Figura 6.14 - radier geral reforçado pelos muros do subsolo reduz os esforços na fundação.
Essas razões são:
• A incerteza geral sobre o nível da ação sísmica em uma dada região;
• A incerteza sobre a resposta exata da estrutura: período, cisalhamento
correspondente à entrada da estrutura no domínio plástico, cisalhamento
correspondente a um dado nível de deformação;
6.11 Princípio 11 – Partição em subestruturas
Desde que os princípios de regularidade em planta e de simetria não possam ser
respeitados por qualquer razão que seja, deve-se pensar em fazer um partição do prédio em
vários blocos ou subestruturas, separadas para o comportamento estrutura, mas contínuas para
o uso.
A dificuldade dessa solução consiste na realização de juntas corretas entre as
subestruturas. Essas juntas devem ser suficientemente largas para evitar o martelamento entre
as subestruturas quando ocorrer um sismo, pois essas subestruturas não oscilam
necessariamente na mesma freqüência sendo necessário somar os deslocamentos máximos
possível para definir o espaçamento mínimo entre elas. Essa solução deve ser complementada
por passarelas flexíveis entre as diferentes unidades assim realizadas. Essa solução pode ser
realizada sem repartição dos pilares se os deslocamentos nas juntas forem pequenos, como em
zonas de baixa atividade sísmica ou em prédios pouco elevados (PLUMIER,2007, p.106107).
60
Figura 6.15 - Repartição dos prédios pelas juntas sísmicas ou repartição em subestruturas. Acima a vista em
planta, abaixo a vista em elevação.
Figura 6.16 - Detalhes de juntas entre prédios ou entre blocos constituindo um prédio
Na Figura 6.16 à esquerda nota-se juntas de dilatação problemáticas para grandes
deslocamentos sísmicos, em particular na parte alta dos prédios elevados, à direita, repartição
dos pilares, abertura ≥ ∑ deslocamentos.
6.12 Princípio 12 – Fixação dos elementos não estruturais
A primeira causa de morte no caso de um sismo de baixa intensidade é a queda
dos elementos não estruturais mal fixados ou pouco resistentes localizados em partes
elevadas: chaminés, elementos decorativos de fachada, vidros aplicados as fachadas, paredes
61
de vedação simplesmente apoiadas no piso e não fixadas na parte superior, bibliotecas,
equipamentos técnicos, etc.
62
7
CONSIDERAÇÕES FINAIS
7.1 Análise geral
Este trabalho expõe princípios de projeto de estruturas pré-moldadas de concreto
em regiões com risco sísmico com o intuito de fornecer uma ferramenta para que projetistas e
construtores passem a considerar o efeito da ação sísmica nas estruturas, muitas vezes
desconsiderado no território nacional. O tema apresenta grande relevância dado que pouco se
sabe sobre a interação dos sismos com as estruturas a nível nacional e regional.
O projeto foi elaborado aliando os conceitos bibliográficos às práticas locais
construtivas. Apesar da matriz bibliográfica deste trabalho se compor essencialmente de
literatura estrangeira, pode-se extrair conceitos aplicáveis nos mais diversos tipos de estrutura
localizadas em regiões distintas, abrangendo, assim, a aplicabilidade do projeto.
O objetivo principal deste trabalho foi atingido no capítulo 6, sendo os capítulos
que o precedem necessários ao melhor conhecimento do sismo, das estruturas pré-moldadas e
da interação entre o sismo e as estruturas, respondendo esses capítulos, então, pelos objetivos
específicos.
Este projeto consiste numa abordagem regional inicial da problemática dos efeitos
causados pelos sismos nas estruturas. Dado que esta é uma preocupação recente no território
nacional, o presente trabalho visa tornar-se uma ferramenta de consulta de engenheiros, de
empreiteiros e daqueles que apresentarem interesse relacionado ao tema discorrido.
7.2 Sugestões para trabalhos futuros
Por se tratar de uma problemática recente no âmbito nacional, existe ainda muito
espaço para aprimoramento e desenvolvimento de projetos referentes ao tema. Tendo em vista
que este projeto se constitui basicamente de revisão bibliográfica, sugere-se a realização de
ensaios laboratoriais, com acelerogramas, que permitam uma análise quantitativa dos efeitos
do carregamento sísmico nos mais diversos tipos de estruturas, como as de concreto moldado
no local e as de concreto pré-moldado, por exemplo.
63
Recomenda-se, também, a elaboração de um manual de cálculo e projeto para as
estruturas submetidas ao carregamento sísmico, sendo este manual composto por partes que
diferenciem a aplicabilidade dos materiais e das estruturas.
64
REFERÊNCIAS
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estruturas resistentes a sismos – procedimento. Rio de Janeiro, 2006.
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