COLÓQUIO
DECivil
ICIST
Vulnerabilidade Sísmica de
Edifícios Antigos de Alvenaria
da Cidade de Lisboa
Rafaela Cardoso - Assistente – ICIST DECivil, Secção de Geotecnia
Mário Lopes - Professor Auxiliar – ICIST DECivil, Secção de Mecânica Aplicada
Rita Bento - Professora Auxiliar – ICIST DECivil, Secção de Mecânica Aplicada
Instituto Superior Técnico
1/40
Lisboa, 2 de Julho de 2003
Índice
DECivil
1. Introdução
ICIST
2. As acções sísmicas
3. Edifícios de alvenaria de Lisboa
4. Estudo de um Edifício-exemplo
5. Soluções usuais de reforço
6. O estado actual dos edifícios Pombalinos
7. Conclusões
2/40
1. Introdução
Sismos no passado e sismos recentes mostram mau
DECivil
ICIST
comportamento dos edifícios de alvenaria para as acções
dinâmicas
Lisboa:
Utilização actual
Estado de conservação
justificam a preocupação com
Ausência de manutenção
a segurança destas estruturas
Alterações estruturais
Avaliação da vulnerabilidade sísmica
3/40
Políticas de mitigação do risco sísmico
2. Acções sísmicas
Sismo:
DECivil
• Acção Dinâmica 3D variável no tempo
ICIST
• Acção Cíclica (Grandes sismos em Lisboa: T200-300 anos)
A acção sísmica pode ser quantificada através de:
• Acelerogramas
ü(t)
• Espectros de resposta
Sa (cm/s2)
Sismo 1
• Forças estáticas
Sismo 2
equivalentes
t
FE
f (Hz)
4/40
Edifícios de alvenaria: Mecanismos de colapso
DECivil
ICIST
As paredes B são
resistentes mas não
apoiam as paredes A
As paredes A têm
pouca resistência e, na
falta de ligação, não se
podem apoiar nas
paredes B, melhor
dispostas para resistir
5/40
Neste caso, as paredes B
suportam as paredes A
[Carvalho e Oliveira, 1997]
3. Edifícios antigos de alvenaria de Lisboa
DECivil
ICIST
Baixa
[in Mendes-Victor et al, 1993]
6/40
LEGENDA:
A - EDIFÍCIOS DE ALVENARIA (<1755)
B - EDIFÍCIOS POMBALINOS E SEMELHANTES (1755 a 1880)
C - EDIFÍCIOS ALTOS DE ALVENARIA COM PAVIMENTOS DE MADEIRA OU
DE BETÃO E PAREDES RESISTENTES DE ALVENARIA (1880 a 1940)
D – EDIFÍCIOS DE ALVENARIA, COM PAVIMENTOS EM BETÃO OU COM
ESTRUTURA PORTICADA DE BETÃO (1940 a 1960)
E – EDIFÍCIOS RECENTES DE BETÃO ARMADO (>1960)
Edifício de alvenaria da Baixa: Edifício de Rendimento Pombalino
Número máximo de pisos: 3 + piso térreo
Parede
DECivil
ICIST
corta-fogo
paredes
águas
interiores
furtadas
de frontal
pavimentos
de madeira
Cruzes de Santo André
com várias geometrias possíveis
[Mascarenhas, 1997]
Fundações indirectas
através de estacas
7/40
Abóbadas de
alvenaria de
curtas de pequeno
blocos cerâmicos
diâmetro
e arcos de pedra
Gaiola Pombalina: Estrutura anti-sísmica de madeira
Tectos e
DECivil
pavimentos
da gaiola
ICIST
Tabique
8/40
Estrutura 3D
Edifícios Pombalinos
(1755 a 1880)
DECivil
ICIST
• Estrutura 3D de madeira:
Gaiola Pombalina
• Pavimentos em madeira
• Paredes exteriores de
alvenaria
Gaiola Pombalina
Estrutura 3D de madeira
9/40
[Mascarenhas, 1997]
Edifícios Gaioleiros
(1800 a 1940)
DECivil
ICIST
• Paredes interiores (Frontais
pombalinos) substituídas por
alvenaria ou por tabiques de
madeira.
• Pavimentos em madeira.
• Maior nº de pisos.
Tabiques
• Marquises em ferro fundido.
10/40
[Mascarenhas, 1997]
Edifícios de ‘Placa’
(1940 a 1960)
DECivil
ICIST
•
Paredes interiores de
alvenaria.
•
Pavimentos de madeira
substituídos
por
lajes
finas de betão.
•
Marquises e varandas
Lajes
finas
em B.A.
Paredes
de alvenaria
11/40
[Mascarenhas, 1997]
de
betão
4. Estudo de um Edifício-exemplo
Cobertura
Elementos
DECivil
consultados:
ICIST
. Peças desenhadas
existentes sobre o
edifício-exemplo
. Técnicas construtivas
correntes na época da
sua construção
. Modelos de
comportamento dos
materiais estruturais
12/40
Rua da Prata, 210 a 212
Entrada principal
Peças desenhadas: in [Santos, 2000]
DECivil
ICIST
Alçado principal do quarteirão
Planta-tipo
13/40
Calibração do modelo:
não destrutivos
Recurso a técnicas de inspecção
e a ensaios in situ
DECivil
ou
semi destrutivos
• Levantamento
ICIST
(geometria real da estrutura)
• Caracterização dos materiais estruturais
(resistência e deformabilidade)
Objectivo: análise da vulnerabilidade sísmica
. Programa de cálculo comercial (SAP2000®)
Viabilidade
. Cálculo linear da estrutura
em Projecto
14/40
. Acção sísmica - espectros de resposta (RSA)
Modelo Numérico (SAP2000®)
Pavimentos
DECivil
ICIST
Travamentos
Abóbadas
Alvenaria
Elementos finitos 2D (shell)
15/40
Frontais
(cruzes)
Elementos de Barra
Presença da Gaiola: Aumento da Rigidez Global do Edifício
1º Modo de Vibração
com gaiola
Com a gaiola,
DECivil
ICIST
as paredes de
alvenaria
Planta
vibram em
f=0,942Hz
conjunto.
Corte Lateral
sem gaiola
Sem a gaiola,
as paredes de
alvenaria vibram
independentemente
f=0,398Hz
16/40
umas das outras.
Planta
Presença da Gaiola: Contraventamento das paredes de alvenaria
dos deslocamentos da fachada para fora do seu plano no alinhamento
Evolução dosEvolução
deslocamentos
na fachada para fora do seu plano
vertical M e no alinhamento vertical P, com e sem a gaiola de madeira
18
P
17
P
M (sem gaiola)
M (com gaiola)
16
DECivil
Deslocamento relativo
relativo com gaiola:
Desloc.
com4,7
15
ICIST
cm
Contraventamento
das paredes de alvenaria
gaiola: 4,7cm
14
13
12
Desloc. relativo sem gaiola: 15,7cm
11
Deslocamento relativo sem gaiola: 15,7 cm
h (m)
10
9
8
7
6
Alinhamento
de frontal E
Alinh Frontal
5
Alinhamento vertical M (sem gaiola)
4
Alinhamento
gaiola)
Emp. vertical M (com
Empena
Barras
dos
esquerda
esquerda
3
Alinhamento vertical P (sem gaiola)
2
Pavimentos
pavimentos
Empena
Emp.
direita
Alinhamento vertical P (com gaiola)
direita
1
0
-1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
d (cm)
10,0
11,0
12,0
PP
13,0
14,0
VV
15,0
M
M
16,0
PLANTA
Fachada
da frente
Fachada
da
17,0
18,0
Frente
Alinh Frontal
Alinhamento
de frontal E
Emp.
Empena
esquerda
esquerda
Fachada
Fachada
da frente da
Empena
Emp.
direita
direita
Frente
Comfrontal
Com
Sem frontal Gaiola
Sem
Gaiola
17/40
DEFORMADA DA
FACHADA DA FRENTE
Edifício: principais fontes de não linearidade
1- Fendilhação da Alvenaria / Danos Localizados
DECivil
ICIST
2- Existência da Gaiola de Madeira: Acções Cíclicas
Resultados Experimentais de um painel de frontal ensaiado no LNEC
F
K0 - Rigidez
‘tangente’
experimental
Ksec - Rigidez
‘secante’
Encastramento na base
18/40
in [Ramos, 2002]
experimental
DECivil
ICIST
FOLGAS
PREGOS
3- Rotura das Ligações dos Elementos de Madeira
19/40
4- Comportamento Não Linear da Alvenaria à Compressão
Análise não linear:
Processo iterativo
Em cada iteração:
DECivil
ICIST
Carga de Colapso
sis
Evolução da Estrutura
. Análise linear
em cada iteração
K1
K2
. A estrutura a analisar
K3
sis (3)
sis (2)
sis (1)
Colapso
Ponto de partida para
a iteração seguinte
resulta da estrutura
analisada na iteração
anterior, após a remoção
das ligações em rotura
Danos na Estrutura
[Cardoso, 2002]
20/40
Principal vantagem do
Detectar os ‘pontos fracos’ da
processo iterativo:
estrutura
Quantificação da vulnerabilidade sísmica:
Fsd = FCQP + sis FE
sismáx
Acção Sísmica
DECivil
ICIST
Intensidade da
Cálculo de danos para intensidades
de COLAPSO
crescentes da acção sísmica
Mapas de danos na alvenaria: Fachada da Frente
sis= 0.20
sis= 0.25
sis= 0.30
Danos na alvenaria devido a tracção
21/40
Deformada da
fachada da frente
Mecanismo de colapso do edifício-exemplo
1ª Iteração sis=0,25
2ª Iteração sis=0,25
DECivil
ICIST
sismáx =0,25
3ª Iteração sis=0,25
Sismo de 9 de
Julho de 1988
Fotografias tiradas
na Horta - Açores,
2001
COLAPSO: Destacamento da
fachada e queda da cobertura
22/40
Concepção original: Queda das
fachadas mantendo a estrutura 3D da
gaiola intacta, salvando as vidas no
DECivil
seu interior.
ICIST
[Mascarenhas, 1997]
Depende do
nº de pisos
23/40
do edifício...
Sismo de 9 de Julho de
1998 - Fotografia tirada na
Horta - Açores, 1998
Mecanismo de corte na base do edifício
COLAPSO GLOBAL:
DECivil
ICIST
[Croci, 1988]
24/40
sismáx =0,70
Estudo da eficiência de uma solução de reforço
Evolução dos deslocamentos da
[Costa e Vasconcelos, 2001]
Evolução
dos deslocamentos
fachada
antes
e após reforço
antes e após o reforço
DECivil
18
(c/reforço)
17
ICIST
V
V
M
16
M
15
14
(s/reforço)
13
12
11
h (m)
10
9
8
7
Alinh Vert M (sem Reforço)
6
Alinh Frontal
EE
Alinhamento
de frontal
5
Alinh Vert V (sem reforço)
Emp.
Empena
Barras dos
Pavimentos
Alinh Vert M (com
Reforço)
esquerda
pavimentos
esquerda
4
3
2
Empena
Emp.
direita
direita
Alinh Vert V (com Reforço)
1
0
Viga de B.A. (0,6mx0,25m)
0,0
1,0
2,0
PP 3,0
VV4,0
M
M5,0
d (cm)
6,0
Fachada
da7,0
frente
Fachada
da
Frente
PLANTA
Mecanismo de colapso
após reforço:
25/40
Efeito de Pipa
sismáx =0,45
Síntese dos resultados obtidos no modelo
DECivil
sismáx=0,25
sismáx=0,70
sismáx=0,45
ICIST
Colapso Parcial:
Corte Basal
Efeito de pipa
queda da cobertura
e da fachada da
Edifício Reforçado
frente (dominó)
Edifício-Exemplo
Valor Regulamentar:
26/40
sismáx =1,50
(Edifícios Novos)
Os valores obtidos para sismáx são indicativos
DECivil
(Modelo ligeiramente conservativo)
ICIST
Informações fornecidas pelo valor sismáx:
. Vulnerabilidade sísmica do edifício
. Quantificação da melhoria após reforço
(eficiência da solução adoptada)
. Comparação de várias soluções de reforço
27/40
5. Soluções usuais de reforço
Mecanismo de Colapso
DECivil
[Carvalho e Oliveira, 1997]
ICIST
Tirantes
de aço
Reforço
horizontal
com vigas
ao nível
dos pisos
Reforço
horizontal:
vigas ao nível dos
pisos
Reforço
vertical
com
tirantes
28/40
[Croci, 1988]
Reforço vertical:
tirantes
Reforço das
Ligações dos
pisos às paredes
DECivil
ICIST
de alvenaria
[Silva,2001]
Mecanismo de Colapso: Corte na Base
Malha de aço
Alternativas:
Ligadores
• Injecção de caldas de
metálicos
cal / cimento
• Injecção de resinas
[Silva, 2001]
29/40
6. O estado actual dos edifícios
Pombalinos
DECivil
ICIST
 Edifícios que mantêm a estrutura original
Intervenções ligeiras de conservação e manutenção
As obras de conservação e reabilitação
urbana são não estruturais !
 Edifícios que sofreram alterações
Adaptação a novas funcionalidades
A grande maioria das alterações estruturais
observadas muitas vezes são nocivas do ponto
de vista da resistência às acções sísmicas
30/40
Influência de alterações posteriores à construção
DECivil
• Remoção de paredes interiores e introdução
Redistribuição
de elementos estruturais com rigidez diferente
de esforços
ICIST
• Abertura de montras
Mecanismo de
Corte Basal
Circulação
de pessoas
Continuidade vertical mantém-se
Continuidade interrompida
31/40
• Aumento do número de pisos
Massa e Finércia
DECivil
ICIST
32/40
aumentam no topo
• Danificação dos frontais para a instalação de canalizações
Rigidez / Contraventamento diminuem
DECivil
ICIST
Perda de
secção
Má solução
Melhor
solução
33/40
7. Conclusões
. Valores obtidos para sismáx baixos
Vulnerabilidade
sísmica elevada
DECivil
ICIST
Resulta da concepção Pombalina de deixar cair as
fachadas para preservar a estrutura interior de
madeira e assim salvaguardar a vida dos ocupantes
Grande potencial de
Edifícios Pombalinos
recuperação devido à
existência da Gaiola
Restantes edifícios de alvenaria de Lisboa?
34/40
. Modelo numérico:
DECivil
Identificação dos
ICIST
Mecanismos de colapso
Quantificação da melhoria do
35/40
comportamento expectável
Reforço Sísmico
para as acções sísmicas
destes edifícios
Políticas adoptadas para intervenção neste tipo de estruturas:
Programas de
DECivil
ICIST
Intervenções estruturais
Reabilitação Urbana
para reforço sísmico
(Intervenções não
estruturais)
Excepção:
Deveriam incluir
Quais os Custos?
Açores
Sensibilização
População
Meio Político, etc
36/40
Agradecimentos
Ao Sr Engº João Appleton, pela partilha generosa do seu imenso
DECivil
ICIST
37/40
conhecimento neste assunto.
Para mais informações:
SPES – Sociedade Portuguesa de
DECivil
ICIST
engenharia Sísmica
www.spes-sismica.org
EERI – Earthquake Engineering
Research Institute
www.EERI.org
World Housing Encyclopedia
www.world-housing.net
(Portugal - Edifícios Pombalinos)
Publicação disponível em:
38/40
www.civil.ist.utl.pt/~rafaela
Referências
•[Alvarez, 2000] Mª Lourdes Alvarez, Baixa Pombalina, Síntese de um trabalho de investigação em várias
disciplinas, indo desde a prospecção geofísica à prospectiva sociológica, tendo em vista uma acção de
planeamento urbanístico, Câmara Municipal de Lisboa, Lisboa, 2000
DECivil
•[Appleton, 2001] J. Appleton, O Megassismo de Lisboa no século XXI ou Vulnerabilidade Sísmica do Parque
ICIST
Edificado de Lisboa, artigo publicado em Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado, SPES –
Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica e GECoRPA – Grémio das Empresas de Conservação e
Restauro do Património Arquitectónico, A. Ravarra, C. S. Oliveira, E. C. Carvalho, M. S. Lopes, P. T. Costa, R.
Delgado, R. Bairrão, V. C. Silva, Lisboa, Abril de 2001
•[Cardoso, Lopes e Bento, 2001] R. Cardoso, M. Lopes, R. Bento – Avaliação Sísmica de Edifícios Antigos de
Alvenaria, Proc. Sísmica 2001, S. Miguel - Açores, Outubro de 2001
•[Cardoso, 2002] R. Cardoso – Vulnerabilidade Sísmica de Estruturas Antigas de Alvenaria – Aplicação a um
Edifício Pombalino, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Estruturas, IST,
Outubro de 2002
•[Carvalho e Oliveira, 1997] E. C. Carvalho, C. S. Oliveira, Construção Anti-Sísmica - Edificios de Pequeno
Porte, ICT, Informação Técnica Estruturas LNEC, DIT 13, Lisboa, 1997
•[Croci, 1988] G. Croci, The Conservation and Structural Restoration of Architectural Heritage, Computational
Mechanics Publications, 1988
•[França, 1987] J. A. França, Lisboa Pombalina e o Iluminismo, Bertrand Editora, 1987
•[Lopes e Azevedo, 1996] M. Lopes; J. Azevedo, Análise do Comportamento Sísmico de um Edifício
39/40
Tradicional de Alvenaria em Lisboa, Rel. AI nº1/96, IC/IST, Lisboa, 1996
•[Mascarenhas, 1994] J. Mascarenhas, Baixa Pombalina, Algumas Inovações Técnicas, 2º ENCORE, LNEC,
Lisboa, 1994
•[Mascarenhas, 1997] J. Mascarenhas, Evolução do Sistema Construtivo dos Edifícios de Rendimento da Baixa
Pombalina em Lisboa, Relacionada com as Condições Sísmicas do Local, 3º Encontro Sobre Sismologia e
DECivil
ICIST
Engenharia Sísmica, IST, Lisboa., 1997
•[Mendes-Victor et al, 1993] L. Mendes-Victor, C. S. Oliveira, I, Pais, P. Teves-Costa, Earthquake Damage
Scenarios in Lisbon for Disaster Preparedness, Artigo publicado em An Evaluation of Guidelines for Developing
Earthquake Damage Scenarios for Urban Areas, NATO Advanced Research Workshop, Instambul, Turkey,
October, 8-11-1993
•[Ramos, 2002] J. L. F. S. Ramos, Análise Experimental e Numérica de Estruturas Históricas de Alvenaria,
Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Escola de Engenharia da Universidade do
Minho, Janeiro de 2002
•[Santos, 2000] M. H. R. Santos, A Baixa Pombalina. Passado e Futuro, Livros Horizonte, Lisboa, Janeiro de 2000
•[SAP2000, 1998] SAP2000, Three Dimensional Static and Dynamic Finite Element Analysis and Design of
Structures, Version 7.0, CSI, Computers & Structures, inc, Structural and Earthquake Engineering Software,
Berkeley, California, USA, October 1998
•[Silva, 2001] V. Cóias e Silva, Viabilidade Técnica de Execução do “Programa Nacional de Redução da
Vulnerabilidade Sísmica do Edificado”, artigo publicado em Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado,
SPES – Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica e GECoRPA – Grémio das Empresas de Conservação e
Restauro do Património Arquitectónico, A. Ravarra, C. S. Oliveira, E. C. Carvalho, M. S. Lopes, P. T. Costa, R.
Delgado, R. Bairrão, V. C. Silva, Lisboa, Abril de 2001
40/40