Ricardo Freitas Lima da Silva Barros
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Universidade Fernando Pessoa
Porto, 2005
I
II
Ricardo Freitas Lima da Silva Barros
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Universidade Fernando Pessoa
Porto, 2005
III
Ricardo Freitas Lima da Silva Barros
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
________________________________________________
Orientador: Mestre João Guerra
“Monografia apresentada à
Universidade Fernando Pessoa
como parte dos requisitos para
obtenção do grau de licenciado
em Engenharia Civil.”
IV
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Sumário
O presente trabalho aborda o reforço sísmico de estruturas de alvenaria com recurso a
elementos metálicos.
Para uma melhor compreensão do funcionamento dos elementos metálicos é necessário
entender o panorama nacional e internacional da reabilitação sísmica, assim como os aspectos
mais importantes relacionados com estes elementos e com todo o processo de reforço sísmico.
Existem variados elementos metálicos e com diversas funcionalidades, que podem ser
utilizadas tendo em consideração a relação custo-benefício. Por vezes a aplicação de
elementos metálicos tem custos elevados, não só pelo seu custo em si, mas também pela
dificuldade de execução em obra, o que pode fazer incrementar os custos. No entanto, a
utilização de elementos metálicos permite intervenções pouco intrusivas, o que conduz a que
o seu uso seja aconselhado quando existe a necessidade de manter o valor patrimonial dos
edifícios.
O entendimento dos mecanismos de colapso dos edifícios, quando sujeitos a um fenómeno
sísmico, permite determinar a melhor forma de reforço estrutural e compreender as funções
dos elementos metálicos na redução da vulnerabilidade sísmica.
Cada elemento metálico tem uma função distinta no reforço estrutural. Porém, apesar de ser
analisado cada elemento separadamente, em projecto é preferível analisar o funcionamento
em conjunto, visto que se pretende que o edifício tenha um comportamento global adequado.
A análise da estabilidade das partes não garante o bom funcionamento do conjunto.
Resumindo, esta monografia apresenta soluções interventivas para fazer face aos modos
básicos do colapso em estruturas de alvenaria de pedra natural, sujeitas à acção sísmica, com
base no recurso a elementos metálicos.
I
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Agradecimentos
Ao meu tio e director da M. M. Trabalhos de engenharia civil, Eng.º Oscar Vasconcelos por
toda a ajuda e facilidades que me deu na realização deste trabalho, assim como durante toda a
formação académica. Tem sido uma grande inspiração.
A toda a equipa da M. M. Trabalhos de engenharia civil Porto e à equipa dos Açores, em
especial à Eng.ª Edite Simões e Eng.ª Anabela Vidal, por toda a ajuda que me deram para o
conhecimento profundo da área da reabilitação e reforço estrutural e pela amizade.
Ao Professor Doutor Humberto Varum, pelo tempo disponibilizado, pela orientação, pelos
conhecimentos especializados na área da reabilitação sísmica e pela força que me deu para a
realização deste trabalho.
À Universidade Fernando Pessoa por me proporcionar a realização deste trabalho e todos os
conhecimentos académicos.
Por fim, os meus sinceros agradecimentos ao meu orientador Mestre João Guerra por me ter
orientado voluntariamente e ter estado sempre presente para todo o tipo de duvidas e
esclarecimentos.
Ricardo Freitas Lima da Silva Barros
Licenciatura em Engenharia Civil
Ano 2004/2005
II
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Dedicatória
Este trabalho é dedicado à minha família, principalmente aos meus pais, pelo esforço e
empenho que tiveram em me ajudar a licenciar-me em Engenharia Civil.
Muito obrigado por acreditarem em mim e por me darem sempre o maior apoio.
III
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Índice Geral
Sumário .................................................................................................................................... I
Agradecimentos ......................................................................................................................II
Dedicatória ............................................................................................................................ III
Simbologia .......................................................................................................................... XIII
Introdução ................................................................................................................................1
1. Avaliação da segurança sísmica e inspecção do edifício ..................................................5
1.1. Avaliação estrutural........................................................................................................5
1.2. Nível de segurança das construções ...............................................................................6
1.3. Inspecção da construção .................................................................................................6
2. Modelação da estrutura da construção .............................................................................9
2.1. Generalidades .................................................................................................................9
2.2. Esquema estrutural e danos ............................................................................................9
2.3. Características dos materiais ........................................................................................12
2.4. As acções na estrutura ..................................................................................................13
3. Determinação do tipo de intervenção ..............................................................................15
IV
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
4. Componentes de reabilitação sísmica ..............................................................................18
4.1. Pressupostos do projecto de reforço .............................................................................18
4.2. Projecto de reabilitação ................................................................................................19
4.3. A utilização do aço .......................................................................................................20
4.4. Níveis de intervenção ...................................................................................................23
4.4.1. Salvaguarda ...........................................................................................................24
4.4.2. Reparação ..............................................................................................................24
4.4.3. Reforço ..................................................................................................................24
4.4.4. Restruturação .........................................................................................................26
4.5. Considerações económicas ...........................................................................................26
5. Mecanismos de colapso típicos das estruturas de alvenaria ..........................................29
5.1. Mecanismos de colapso de primeiro modo ..................................................................29
5.2. Mecanismo de colapso de segundo modo ....................................................................35
6. Elementos metálicos de reforço sísmico...........................................................................39
6.1. Tirantes .........................................................................................................................39
6.2. Cinta de coroamento (cordolo) .....................................................................................42
V
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
6.3. Barras de amarração (ancoragem) ................................................................................44
6.4. Viga reticulada (treliça) ................................................................................................46
6.5. Ligações aparafusadas ..................................................................................................48
6.6. Chapas ..........................................................................................................................49
6.7. Vigas metálicas.............................................................................................................50
6.8. Ligações metálicas entre componentes da estrutura da cobertura................................51
7. Caso real (Açores, Ilha do Faial, Horta)..........................................................................53
7.1. Descrição do caso .........................................................................................................53
7.2. Elaboração do projecto .................................................................................................54
7.2.1. Verificação numérica.............................................................................................55
7.2.2. Aplicação em obra .................................................................................................71
Conclusão ...............................................................................................................................76
Bibliografia.............................................................................................................................79
ANEXOS
ANEXO I - Carta de Veneza .....................................................Erro! Marcador não definido.
VI
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
ANEXO II - Mecanismos típicos de colapso de construções em alvenariaErro!
Marcador
não definido.
ANEXO III - Tirantes ................................................................Erro! Marcador não definido.
ANEXO IV – Cinta de coroamento (Cordolo).........................Erro! Marcador não definido.
ANEXO V - Barras de amarração (ancoragem) .....................Erro! Marcador não definido.
ANEXO VI - Viga Reticulada (treliça) .....................................Erro! Marcador não definido.
ANEXO VII - Ligações aparafusadas.......................................Erro! Marcador não definido.
ANEXO VIII - Chapas ...............................................................Erro! Marcador não definido.
ANEXO IX - Vigas metálicas ....................................................Erro! Marcador não definido.
ANEXO X - Ligações metálicas entre componentes da coberturaErro!
Marcador
não
definido.
ANEXO XI - Pormenores das componentes metálicas da habitação da rua Conselheiro
de Medeiros n.º 42.......................................................................Erro! Marcador não definido.
VII
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Índice de figuras
Figura 1 - Reforço provisório de uma estrutura após a ocorrência de um sismo (Fonte:
http://www.dgpatr.pt, junho 2005). ............................................................................................ 4
Figura 2 – Levantamento da armadura com aparelho de detecção de armadura (Fonte própria)
.................................................................................................................................................... 7
Figura 3 – Ensaios efectuados em laboratório à existência de térmitas numa viga de madeira
(Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)............................................................................ 7
Figura 4 – Edifício de gaiola pombalina e parede típica gaioleira, neste caso poderá ser
adoptado um valor superior, da ordem de 2,0-2,5, dependendo da proporção de paredes de
gaiola no conjunto das paredes do edifício (Fonte: Reabilitação de edifícios antigos, Patologias e
técnicas de intervenção) ............................................................................................................. 14
Figura 5 - Fluxograma das acções a desenvolver na avaliação estrutural de construções antigas
(Fonte: Sísmica 2004, 6º congresso nacional de sismologia e engenharia sísmica) ................ 16
Figura 6 - A "casa anti-sísmica" de Pirro Logorio, para a segurança dos edifícios contra
terramotos, 1570 (Fonte: M. M. Trabalhos de Engenharia Civil) ............................................ 18
Figura 7 – Componentes de uma treliça a ser descarregada em obra manualmente (Fonte:
M.M. Trabalhos de engenharia civil) ....................................................................................... 22
Figura 8 – Barra de ancoragem dos tirantes, componente leve e pouco intrusiva (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil) ................................................................................................. 22
Figura 9 - Pormenor de aparelho de apoio para evitar a transmissão de impulsos às paredes
(Fonte: http://www.dgpatr.pt, Junho 2005) .............................................................................. 25
Figura 10 - Reforço com inclusão de contraventamento visando melhorar a resistência sísmica
(Fonte: http://www.dgpatr.pt, Junho 2005) .............................................................................. 25
Figura 11 - Distribuição da frequência por tipo de intervenção (Fonte: http://www.dgpatr.pt,
Junho 2005) .............................................................................................................................. 28
Figura 12 - Distribuição percentual dos custos por tipo de intervenção (Fonte:
http://www.dgpatr.pt, Junho 2005)........................................................................................... 28
Figura 13 - Mecanismo de primeiro modo: rotura monolítica da fachada por ter sido
ultrapassada a capacidade da ligação com as paredes das empenas laterais (Fonte: M.M.
Trabalhos de Engenharia Civil)................................................................................................ 29
VIII
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 14 - Mecanismo de primeiro modo: mecanismo de Rondelet considerando a ligação
efectiva das paredes das empenas laterais (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil) ...... 30
Figura 15 - Mecanismo de primeiro modo: mecanismo de “Rondelet” considerando a
presença de aberturas na parede da fachada (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil) ... 30
Figura 16 - Mecanismo de primeiro modo (de Rondelet) (Fonte: M. M. Trabalhos de
Engenharia Civil)...................................................................................................................... 32
Figura 17 - Comportamento em arco na espessura da parede na presença de tirantes de
piso.(Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil).................................................................. 34
Figura 18 – Mecanismo de primeiro modo (fachada não conectada) e de segundo modo
(fachada com tirantes conectados) (Fonte: M. M. Trabalhos de Engenharia Civil)................. 35
Figura 19 - Influência de tirantes de plano nos mecanismos de segundo modo: mecanismos de
colapso sem (à esquerda) e com (à direita) tirantes (Fonte: Sicurezza e conservazione dei
centri storici, Il caso Ortigia).................................................................................................... 37
Figura 20 – Interpretação dos resultados experimentais da figura (Fonte: M.M. Trabalhos de
Engenharia Civil)...................................................................................................................... 37
Figura 21 - Mecanismo de colapso de segundo modo(Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia
Civil)......................................................................................................................................... 37
Figura 22 – Tirantes em varões com esticadores, Hospital da Horta, ilha do Faial, Açores
(Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil).......................................................................... 39
Figura 23 – À esquerda tirantes em varão e à direita tirantes em cabos (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil) ................................................................................................. 40
Figura 24 – À esquerda Tirante com ligação intermédia a uma viga reticulada, à direita tirante
sem ligação intermédia ancorado na parte exterior da parede da fachada (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil) ................................................................................................. 41
Figura 25 – Esticadores (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)................................... 41
Figura 26 – Esquema de aplicação de tirantes num edifício em Ortigia, Italia (Fonte:
Sicurezza e conservazione dei centri storici, il caso Ortigia) ................................................... 42
Figura 27 – Preparação do topo das paredes para a recepção do “cordolo” (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil) ................................................................................................. 43
Figura 28 – Aplicação do “cordolo” em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) . 43
Figura 29 – Ligação do “cordolo” á cobertura (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) 44
Figura 30 – Barras de amarração (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) .................... 45
Figura 31 – Barras de ancoragem (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil).................... 45
IX
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 32 - A viga reticulada controla o derrube da fachada, transferindo através dos tirantes
do piso, as forças sísmicas aplicadas na fachada às paredes de contraventamento (Fonte:
M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)...................................................................................... 46
Figura 33 – Viga reticulada colocada em posição central em relação ás paredes laterais do
edifício (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) ............................................................ 47
Figura 34 – À esquerda ligação da viga reticulada ás paredes laterais, à direita conecção do
tirante à viga reticulada (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) ................................... 48
Figura 35 – Diferentes tipos de ligações aparafusadas (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia
civil).......................................................................................................................................... 48
Figura 36 – Chapa quinada (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) ............................. 49
Figura 37 – Reforço de vigas de madeira com chapas de aço pregadas (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil) ................................................................................................. 50
Figura 38 – Viga metálica (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) ............................... 51
Figura 39 – Viga metálica com molde a imitar o edifício (Fonte: Manuale per la riabilitazione
e la riconstruzione postsismica degli edifici) ........................................................................... 51
Figura 40 – Elementos metálicos usados nas ligações das coberturas (Fonte: Reabilitação de
edifícios antigos, patologias e tecnologias de intervenção)...................................................... 52
Figura 41 - Edifício antes e após reforço sísmico (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
.................................................................................................................................................. 53
Figura 42 – Planta do reforço estrutural da habitação da rua Conselheiro de Medeiros, nº 42
(Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil).......................................................................... 62
Figura 43 – Modelo estrutural da treliça (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) ......... 67
Figura 44 – Aplicação dos tirantes em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil).... 71
Figura 44 (cont.) – Aplicação dos tirantes em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia
civil).......................................................................................................................................... 72
Figura 45 – Aplicação de treliça em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) ....... 72
Figura 45 (cont.) – Aplicação de treliça em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
.................................................................................................................................................. 73
Figura 45 (cont.) – Aplicação de treliça em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
.................................................................................................................................................. 74
Figura 46 – Evolução da recuperação e disfarce da treliça (Fonte M. M. Trabalhos de
engenharia civil) ....................................................................................................................... 74
Figura 47 – Execução de ancoragens em obra (Fonte: m. m. trabalhos de engenharia civil) .. 75
Figura 48 – Aplicação do “cordolo” em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil) . 75
X
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
XI
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Índice de quadros
Quadro 1 – Valores dos diâmetros a utilizar para as cargas de rotura (fonte: própria) ............ 64
XII
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Simbologia
a – Aceleração
A – Área
f – Coeficiente de atrito
fyd – Valor característico da tensão de cedência à tracção
g – Aceleração da gravidade
H – Altura
Iy – Momento de inércia
L – Comprimento
Msd – Valor de calculo do momento flector actuante
Nsd – Valor de calculo do esforço normal actuante
P – Peso
Q – Peso do coroamento
qsd – Valor de calculo da carga actuante
R – Reacção
S – Espessura
T – Tracção
Tmáx – Tracção máxima
Trd – Valor de calculo do momento de torção resistente
Tsd – Valor de calculo do momento de torção actuante
W – Peso da parede
y – Centro de gravidade
β⋅W – Força sísmica
β0 – Coeficiente sísmico de referencia
σ
sd
– Valor de calculo do esforço de tenção actuante
θ – Ângulo
φ – Diâmetro
α – Coeficiente de sismicidade
η – Coeficiente de comportamento
LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil
ICOMOS – Comité Cientifico Internacional para a Análise e Restauro de Estruturas do
Património Arquitectónico
XIII
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Introdução
O presente trabalho, intitulado “Reforço sísmico de estruturas de alvenaria com elementos
metálicos”, aborda as técnicas mais frequentes utilizadas no reforço sísmico com elementos
metálicos.
O seu intuito, para além de representar o culminar do curso de Engenharia Civil, visa uma
futura continuidade num estudo mais aprofundado do índice de vulnerabilidade sísmica dos
edifícios e das técnicas de reforço sísmico com recurso a elementos metálicos.
Pretende-se dar a conhecer os tipos de elementos metálicos existentes e compreender-se as
suas funções, o seu cálculo estrutural e a sua aplicação em obra. Para um melhor
conhecimento destas peças pretende-se demonstrar os mecanismos de colapso sísmico nos
edifícios de alvenaria, assim como entender os diferentes factores relacionados com os
respectivas elementos.
Durante todo o trabalho tenta-se sempre realçar a importância do valor patrimonial dos
edifícios e, com isso, demonstrar as metodologias menos intrusivas que permitem manter o
valor arquitectónico dos edifícios.
No panorama nacional estas metodologias já são aplicadas há alguns anos, tendo sido trazidas
para Portugal na altura das invasões francesas, no período entre de 1800 a 1950,
aproximadamente. No entanto, hoje em dia ainda não existem muitos documentos nacionais
que abordam as metodologias de reforço sísmico com elementos metálicos.
Comparativamente com Portugal, em Itália estes elementos são bastante usados no reforço
sísmico. Em Itália, devido à frequência de ocorrência de sismos, existem bastantes estudos
que comprovam as capacidades destes elementos, sendo grande parte deste trabalho baseado
nos mesmos, bem como nas obras de reabilitação pós-sismo de 1998 na ilha do Faial nos
Açores.
1
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Não obstante do que já foi referido, e sem prejuízo do mesmo, consegue-se obter um bom
conhecimento geral do panorama nacional, relativamente à aplicação de elementos metálicos
no reforço sísmico de edifícios de alvenaria.
Na verdade, o interesse pela reabilitação do património construído está, cada vez mais, na
ordem do dia tanto em Portugal como internacionalmente. Sendo assim, a questão da
segurança sísmica é um ponto fulcral da reabilitação. É suficiente recordar o sismo de 1755,
que destruiu a cidade de Lisboa, o sismo de Benavente de 1909, que afectou a zona do Vale
do Tejo, o sismo dos Açores de 1980, que destruiu parcialmente a cidade de Angra do
Heroísmo, e mais recentemente o sismo de 1998 dos Açores, que destruiu grande parte das
ilhas do Faial e Pico.
A acção dos sismos tem um efeito devastador sobre as construções, como tem sido
demonstrado ao longo da história, sendo sempre necessário grandes obras de reabilitação para
recuperar o património construído.
É importante compreender que os efeitos devastadores não são só derivados à intensidade
elevada dos sismos, mas também porque, na sua maioria, as construções não foram
preparadas para resistir a esta acção, principalmente as construções existentes de alvenaria.
Existem vários problemas relacionados com a avaliação da segurança sísmica das construções
existentes, pois, esta é, em geral, uma tarefa bastante delicada, devido à dificuldade em
modelar correctamente a estrutura. Por outro lado, os regulamentos estruturais e/ou
documentos de referência existentes, como é o caso dos Eurocódigos, estão preparados para
projectos de estruturas novas, tornando-se necessário recorrer a adaptações destes textos para
possibilitar uma correcta avaliação.
No entanto, para além da avaliação da segurança face aos sismos e da sua análise estrutural, é
importante efectuar um levantamento do historial do edifício, pois para além de se garantir a
segurança é necessário executar intervenções minimamente intrusivas, de modo a reduzir
prejuízos ao valor intrínseco da edificação.
2
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
A sociedade atribui às construções antigas um valor cultural, sendo este valor proporcional à
antiguidade, quanto mais antiga a construção maior é o seu valor cultural, em regra. Daí que o
tipo de intervenção a realizar numa construção antiga deverá, por conseguinte, depender do
valor patrimonial/cultural que lhe estiver associado.
É necessário existir uma base em princípios orientadores, para que sejam bem sucedidas as
intervenções de reabilitação estrutural, tanto do ponto de vista técnico como cultural.
A Carta de Veneza de 1964 (Anexo I) é um documento de referência em matéria de
reabilitação do património, defendendo a adopção de um conjunto de princípios, dos quais se
destacam, pela sua importância, a garantia da segurança estrutural, o respeito pelo valor
cultural da construção, a intervenção mínima e o custo mínimo (Santos cit. in Barros et al.,
2004).
Contudo, nem sempre é possível garantir o cumprimento destes parâmetros em simultâneo,
sendo normal o conflito entre estes. Por vezes, é mesmo impossível garantir a segurança
estrutural sem a execução de intervenções mais profundas, pondo assim em risco o valor
cultural da construção
Natural será usufruir de todas as novas tecnologias e técnicas de reforço estrutural, por forma
a encontrar as melhores soluções para os diversos problemas que uma intervenção deste tipo
coloca, tais como:
•
A resistência;
•
O transporte;
•
A colocação em obra;
•
A operacionalidade em espaços reduzidos;
•
A compatibilidade funcional e estética face às estruturas existentes.
3
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Na execução destas intervenções é importante introduzir, da melhor forma, autonomia nos
elementos de reforço em relação à estrutura existente, sendo possível através da utilização de
elementos pré-fabricados, facilmente reversíveis.
A reversibilidade e a autonomia destes elementos vem facilitar a manutenção e a inspecção da
estrutura, preservando o valor tanto do edifício em geral como dos seus materiais.
Figura 1 - Reforço provisório de uma estrutura após a ocorrência de um sismo (Fonte: http://www.dgpatr.pt,
junho 2005).
Acredita-se que no final do texto que se apresenta poder-se-á obter uma boa percepção das
capacidades do reforço com elementos metálicos e das melhorias que se obtêm no
funcionamento dos edifícios, quando sujeitos a um fenómeno sísmico. Julga-se, ainda, ser
possível vir a compreender o fundamental do projecto e dimensionamento dos elementos, a
viabilidade da sua aplicação e como se efectua uma boa montagem em obra.
4
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
1. Avaliação da segurança sísmica e inspecção do edifício
1.1. Avaliação estrutural
Quando se avalia o desempenho estrutural de uma edificação, um dos primeiros pensamentos
vai para a aquisição de dados que permitam aferir se o seu nível de segurança é ou não
aceitável. Sendo assim, deve-se executar um estudo que tenha em consideração os parâmetros
adequados e preconizados para o tipo de construção em abordagem.
A análise estrutural de construções antigas é realizada da mesma forma que a efectuada para
construções novas, ou seja, estudando o seu comportamento através de certas hipóteses
admitidas como próximas do real. Para tal, são determinados e combinados os efeitos das
acções nos diferentes pontos da estrutura, os quais são comparados com a sua resistência
nesses mesmos pontos, tendo sempre em conta a possibilidade da existência de diferenças
substanciais.
Na concepção de construções novas são utilizados regulamentos e códigos de forma a reduzir
as incertezas, tanto a nível de resistências como em relação a acções. Os coeficientes de
segurança utilizados visam aumentar a segurança da estrutura, sem com isso aumentar,
desproporcionadamente, as dimensões dos elementos estruturais e seus os custos.
Contrariamente, na reabilitação a indeterminação é maior, tanto ao nível da eficiência como,
ou sobretudo, das despesas finais.
Em termos de modelação do comportamento das estruturas antigas esta também é mais difícil,
sendo condicionada por diferentes factores, tais como:
•
A dificuldade em executar um levantamento correcto da estrutura;
•
As incertezas relativas as características dos materiais existentes;
•
O desconhecimento de anteriores alterações ou reparações (nem sempre sendo visível
a influência de fenómenos do passado).
5
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
1.2. Nível de segurança das construções
Como já foi anteriormente mencionado, existe uma diferenciação entre a avaliação de
construções antigas e construções novas. Logo, a avaliação da segurança de construções
antigas tem em consideração o seu valor cultural, pelo que é necessário uma avaliação do
custo-beneficio associada à intervenção.
O benefício é decorrente da redução do risco, enquanto o custo está associado ao valor da
intervenção, assim como da variação do valor cultural.
Dado o presumível aumento da incerteza associada às acções e às resistências dos materiais,
os coeficientes de segurança parciais a ter em conta devem ser superiores em relação aos
utilizados numa construção nova, normalmente, trabalhando-se do lado da segurança. É
evidente que se um levantamento exaustivo das cargas permanentes e da resistência dos
materiais for efectuado, então poderemos mesmo adoptar valores de coeficientes de segurança
inferiores aos recomendados para as construções novas, dado o nível de confiança se mostrar
manifestamente favorável.
1.3. Inspecção da construção
Em todas as obras de reabilitação é sempre necessário executar uma inspecção ao edifício, de
forma a obterem-se os dados suficientes para uma correcta análise. Só com esta informação é
possível uma boa execução de todo o projecto de reabilitação.
As inspecções relativas à reabilitação estrutural de construções antigas poderão realizadas em
duas fases:
1. Uma inspecção preliminar, num primeiro momento;
2. Uma inspecção detalhada, num passo posterior.
6
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Sendo que a inspecção preliminar é feita de uma forma qualitativa, recorrendo à observação
visual ou á utilização de equipamento simples na determinação das patologias existentes. Por
outro lado, a inspecção detalhada é uma inspecção quantitativa, na qual são realizados ensaios
e medições, de forma a ser obtida uma avaliação das características dos materiais constituintes
da estrutura e das propriedades dinâmicas da própria estrutura. Deverá, ainda, esta última
inspecção servir para a tipificação das anomalias estruturais mais significativas.
Figura 2 – Levantamento da armadura com aparelho de detecção de armadura (Fonte própria)
Na grande maioria dos casos, nestas inspecções é simultaneamente necessário fazer um
levantamento da geometria do edifício, pois normalmente não existem projectos dos edifícios
antigos.
Figura 3 – Ensaios efectuados em laboratório à existência de térmitas numa viga de madeira (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil)
7
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Quando os níveis de detalhes da inspecção são elevados é necessário recorrer a ensaios em
laboratórios, para se obter um profundo conhecimento dos materiais e estrutura.
8
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
2. Modelação da estrutura da construção
2.1. Generalidades
A modelação do comportamento das estruturas das construções antigas utiliza as metodologias
habituais da análise estrutural, em que, admitindo certas hipóteses (resposta elástica linear,
recurso a modelos não lineares, etc.), se procura obter informação sobre os estados de tensão
existentes, ou que podem ser produzidos nos diferentes elementos da estrutura (Santos cit. in
Barros et al., 2004).
Refira-se, no entanto, que, em face das simplificações que é em geral necessário introduzir na
representação do funcionamento das estruturas antigas, bem como do eventual
desconhecimento quanto às características reais dos materiais, os resultados obtidos serão, em
princípio, sempre menos fiáveis que no caso das estruturas novas (Santos cit. in Barros et al.,
2004).
O comportamento de qualquer estrutura é influenciado por três factores principais:
1. A forma e as ligações da estrutura;
2. Os materiais de construção;
3. As forças, acelerações e deformações impostas (as acções) (ICOMOS, 2004).
2.2. Esquema estrutural e danos
O esquema estrutural representa o comportamento das estruturas relativamente ás diversas acções
existentes na construção, possibilitando a determinação da forma como a construção garante a sua
estabilidade.
9
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Para a determinação precisa deste esquema é necessário um profundo conhecimento do
comportamento da estrutura, e para tal é imprescindível um bom conhecimento:
•
Dos seus materiais;
•
Da dimensão dos seus elementos;
•
Das condições do terreno;
•
Das ligações entre os diferentes elementos;
•
Das anomalias, etc.
No caso especifico de estruturas de alvenaria é necessário ter noção que estas são geralmente feitas
de materiais que têm uma resistência à tracção muito baixa e podem facilmente exibir fendilhação
interna ou separação entre elementos. Contudo, estes sinais não são necessariamente uma
indicação de perigo, porque as estruturas de alvenaria funcionam principalmente à compressão
(ICOMOS, 2004).
Em geral, as estruturas de alvenaria dependem do efeito dos pisos ou das coberturas para
distribuir as cargas laterais e, assim, assegurar a estabilidade global da estrutura. É também
necessário compreender a sequência da construção, porque as diferentes características dos
diferentes períodos da alvenaria podem afectar o comportamento global da estrutura (ICOMOS,
2004).
Deve-se ter em atenção as paredes espessas e, principalmente, as paredes duplas. Isto tem origem
no facto do seu núcleo ser, por vezes, de fraca qualidade, surgindo problemas diversos, tais como:
•
Fendas verticais;
•
Deformações e destacamentos do pano exterior (que podem originar o colapso da
estrutura).
10
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Assim sendo, procurar-se representar adequadamente o comportamento da estrutura e os
fenómenos que lhe estão associados, de forma a tornar possível a aplicação das ferramentas de
cálculo.
Embora em certas situações possam ser usados apenas modelos simplificados, baseados, por
exemplo, em simples condições de equilíbrio estático, hoje em dia a análise estrutural de
construções antigas, nomeadamente quando sujeitas à acção de sismos, é feita com base em
modelos sofisticados. Daí se entenda a dificuldade de um cálculo manual, pelo que quase sempre
de recorre a programas de cálculo automático, através de malhas de elementos finitos
apropriados à representação do comportamento dos diversos elementos estruturais (Santos cit. in
Barros et al., 2004).
A elaboração dos esquemas estruturais deverá ser com base no levantamento da construção, bem
como da sua envolvente, tal como se referiu atrás. Se estiverem disponíveis, poderão também ser
usados elementos de informação já existentes sobre a construção (memórias, desenhos, fotos,
etc.), embora deva ser feita a confirmação, pelo menos parcial, destes dados. É também
importante, como forma de complemento, o contacto com a população vizinha ao edifício, permitindo
um melhor conhecimento da história e acontecimentos relacionados com este.
O esquema utilizado deve considerar quaisquer alterações e degradações sofridas ao longo do tempo,
cujo efeito pode influenciar o comportamento geral da estrutural, através da alteração das
distribuições dos esforços. Estas alterações podem ser provocadas tanto por fenómenos naturais
como por intervenções humanas.
Na modelação de estruturas complexas não deverá, no entanto, ser usado um esquema
estrutural único, mas deverão ser usados esquemas alternativos ou complementares uns dos
outros. É preciso ter presente, muito embora, que esquemas estruturais diferentes poderão
conduzir a resultados com valores substancialmente diferentes, ainda que do mesmo elemento
estrutural (Santos cit. in Barros et al., 2004).
Se tiverem sido realizados ensaios in-situ de determinação das características dinâmicas da
estrutura (frequências próprias, amortecimentos, etc.), os resultados obtidos poderão ser
11
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
comparados com os valores obtidos através da modelação, o que permitirá ajudar a afinar a
modelação da estrutura (Santos cit. in Barros et al., 2004).
2.3. Características dos materiais
As propriedades dos materiais (particularmente as resistências), que são os parâmetros
básicos para qualquer cálculo, podem ser reduzidos através das degradações devidas á acção
química, física ou biológica. A velocidade das degradações depende das propriedades dos
materiais (como a porosidade) e da protecção existente (telhado saliente, etc.), bem como da
manutenção. Embora as degradações possam manifestar-se à superfície, sendo assim
imediatamente visíveis através de uma inspecção superficial (eflorescências, porosidade
elevada, etc.), existem também processos de degradação que só podem ser detectados através
de ensaios mais sofisticados (ataque de térmitas na madeira, etc.) (ICOMOS, 2004).
Como se referiu no ponto anterior, os ensaios realizados nos materiais estruturais permitem a
obtenção das características dos mesmos, podendo estas características também ser obtidas
através de bases de dados já existentes, ainda que, neste ultimo caso, deve-se precaver a
existência de eventuais diferenças em relação a cada construção.
Os resultados obtidos dos ensaios realizados deverão permitir quantificar os valores
característicos das propriedades dos materiais estruturais. Serão de admitir, em geral,
distribuições normais, pelo que o valor característico será, em princípio, obtido a partir do
valor médio, tendo em conta o coeficiente de variação e a dimensão da amostra. No entanto,
como a amostragem é, em geral, pouco extensa, um critério por vezes adoptado consiste em
considerar como valor característico o valor mínimo da amostra. Deverão existir, em qualquer
caso, pelo menos dois valores (Santos cit. in Barros et al., 2004).
Quanto aos coeficientes de segurança parciais dos materiais, estes deverão estar relacionados com
a incerteza associada à determinação dos valores característicos das resistências. Embora
dependam da qualidade da informação usada, uma vez que os valores reais são já conhecidos,
poderão, em geral, ser adoptados valores inferiores aos preconizados no projecto de estruturas
novas, sendo recomendáveis valores da ordem de 1,1 para os aços, de 1,2-1,3 para os betões e
para as madeiras, e de 1,3-1,5 para as alvenarias (Santos cit. in Barros et al., 2004).
12
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
2.4. As acções na estrutura
As cargas permanentes (pesos próprios, etc.) deverão, em princípio, ser obtidas a partir do
levantamento da geometria e da constituição da construção. Elementos de informação já existentes
(desenhos, etc.) poderão também ser úteis, mas deverão ser usados com reservas (Santos cit. in
Barros et al., 2004).
As acções são definidas como qualquer agente (forças, deformações, etc.) que produza tensões e
deformações na estrutura e qualquer fenómeno (químico, biológico, etc.) que afecte os materiais,
normalmente reduzindo a sua resistência. As acções originais, que ocorrem desde o início da
construção até á sua conclusão (por exemplo, o peso próprio), podem ser modificadas durante a sua
vida e é frequente que estas mudanças produzam danos e degradações (ICOMOS, 2004).
Antes de se tomar uma decisão em relação a qualquer tipo de reparação a efectuar na estrutura, é
sempre necessário ter um perfeito conhecimento das solicitações ou modificações das acções
originais, sendo que estas podem ser de naturezas diversas e, com isso, provocar diferentes
alterações, tanto na estrutura como nos materiais.
No caso deste trabalho, abordam-se de uma forma mais especifica as acções mecânicas
dinâmicas, já que a acção dinâmica mais significativa é normalmente causada por sismos.
As acções mecânicas que actuam na estrutura produzem tensões e deformações no material,
possivelmente resultando em fendilhação, esmagamento e movimentos visíveis. Sendo estas
acções dinâmicas, então são produzidas quando uma estrutura fica sujeita a acelerações
resultantes de sismos, vento, furacões, vibrações de máquinas, etc. (ICOMOS, 2004).
Na acção dinâmica resultante de um sismo a intensidade das forças produzidas está relacionada
tanto com a magnitude da aceleração, como com as frequências próprias da estrutura e a sua
capacidade para dissipar energia. O efeito de um sismo está também relacionado com a história
de sismos anteriores, que podem ter debilitado progressivamente a estrutura (ICOMOS, 2004).
Sendo assim, a acção dos sismos será, em princípio, quantificada do mesmo modo que no projecto de
estruturas novas, podendo, em certos casos, ser admitido como período tempo de referência bastante
13
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
inferior ao adoptado no projecto de estruturas novas, permitindo reduzir o valor da acção, deste modo.
Em certas situações poderá, também, ser possível realizar um zonamento localizado da acção
sísmica, o que, eventualmente, permitirá reduzir o valor dessa acção (Santos cit. in Barros et al.,
2004).
Quanto aos coeficientes de comportamento a adoptar no caso de análises sísmicas lineares, deverão
ser estabelecidos tomando como padrão os valores preconizados na regulamentação para o projecto
de estruturas novas, tendo em conta o "lay-out" especifico da estrutura antiga. No caso de
construções de alvenaria, por exemplo, dependendo das características mecânicas dos blocos e da
argamassa usados, bem como da eventual presença de elementos de ligação metálicos, são
recomendados valores da ordem de 1,5-2,0 (Santos cit. in Barros et al., 2004).
Figura 4 – Edifício de gaiola pombalina e parede típica gaioleira, neste caso poderá ser adoptado um valor
superior, da ordem de 2,0-2,5, dependendo da proporção de paredes de gaiola no conjunto das paredes do edifício
(Fonte: Reabilitação de edifícios antigos, Patologias e técnicas de intervenção)
Em relação aos coeficientes de segurança parciais das acções, assim como nos coeficientes de
comportamento, deve-se adoptar os valores da regulamentação para projecto de estruturas novas
ou de preferência valores conservativos, trabalhando-se pelo lado da segurança.
O mesmo acontece com no caso das cargas permanentes, nas quais também é favorável
considerar valores ponderados superiores face ao preconizado para estruturas novas. Sem
embargo do que atrás ficou dito, e particularmente se os valores em consideração tiverem sido
obtidos a partir do levantamento exaustivo da construção, poderão ser admissíveis coeficientes
da ordem de 1,2 (Santos cit. in Barros et al., 2004).
14
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
3. Determinação do tipo de intervenção
Após uma fase de levantamento e diagnóstico das patologias do edifício é necessário
determinar a melhor forma de intervenção, de modo a reabilitar estruturalmente o edifício e
capacitá-lo a resistir á acção sísmica.
A avaliação da segurança estrutural de uma construção antiga será, em princípio, feita tal como
se faz para as estruturas novas, comparando os valores de cálculo das resistências dos materiais
com os valores de cálculo dos efeitos das acções em cada ponto da estrutura (Santos cit. in
Barros et al., 2004).
Conforme foi referido atrás, os resultados da modelação das estruturas das construções antigas
não são, contudo e em geral, tão fiáveis como no caso das construções novas, pelo que deverá ser
avaliada a consistência desses resultados com o estado em que a construção realmente se
encontra, particularmente no que se refere à eventual existência de danos (Santos cit. in Barros et
al., 2004).
Sendo assim, é de extrema importância considerar todos os métodos de avaliação possíveis
para que se possam tomar decisões concretas e isentas de erros, por falta de avaliação.
Na fase dos levantamentos, como já foi salientado, é importante recolher toda a informação
existente sobre a história do edifício, alterações ao longo do seu percurso de vida, anomalias,
o funcionamento deste perante sismos passados, o conhecimento dos edifícios vizinhos, etc..
A informação sobre a sua história permite avaliar os resultados do funcionamento da estrutura
às acções sísmicas e, com isso, ajudar a prever o seu comportamento no futuro. De facto, nos
edifícios antigos de alvenaria é normalmente difícil de prever o funcionamento das ligações
entre os pavimentos, habitualmente em madeira, e as paredes de alvenaria.
As alterações e ampliações feitas pelos proprietários são também um problema, devido à
dificuldade de prever o seu funcionamento. Daí que o conhecimento dos resultados de
fenómenos idênticos aos que se pretende estudar facilite a tomada de decisão.
15
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Por vezes, as empresas do ramo auxiliam o trabalho comparando o edifício em análise com
outros a si semelhantes e para os quais já foi efectuado o estudo.
Assim, com o conjunto destas análises (históricas, qualitativas e quantitativas) pode ser elaborada
uma boa avaliação da vulnerabilidade sísmica do edifício, permitindo determinar o melhor método
de intervenção.
Figura 5 - Fluxograma das acções a desenvolver na avaliação estrutural de construções antigas (Fonte: Sísmica
2004, 6º congresso nacional de sismologia e engenharia sísmica)
Se desta avaliação não for possível tirar conclusões claras quanto à eventual falta de segurança da
estrutura, ou de alguns dos seus elementos, será sempre preferível não intervir de modo a manter
o mais possível o valor cultural da construção. Além disso, o custo da intervenção será reduzido
se a sua reabilitação ou reforço estrutural não for efectuada (Santos cit. in Barros et al., 2004).
No fim de toda a análise, e após determinados os métodos de intervenção, deve ser elaborado
um relatório que verse todos os aspectos que foram considerados durante a análise. Com este
16
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
sistematizar de parâmetros de avaliação, poderemos ter as opções de intervenção devidamente
justificadas.
Na figura 5 apresenta-se um fluxograma simplificado das acções a desenvolver na avaliação
estrutural de edifícios antigos de alvenaria.
17
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
4. Componentes de reabilitação sísmica
4.1. Pressupostos do projecto de reforço
A correcta organização da malha estrutural é o primeiro e mais importante requisito de
qualquer edifício em alvenaria, construído segundo as regras de arte adequadas. Uma boa
malha estrutural disporá sempre de duas linhas de paredes mutuamente ortogonais, que
delimitam ambientes de forma rectangular e de dimensões contidas em relação às espessuras
das paredes. Por outro lado, distribuições da estrutura que introduzam vãos grandes, ou não
fechados nos quatro lados, situação ainda pior, determinam situações estruturais
intrinsecamente mais débeis que inevitavelmente entram em crise na ocorrência de um evento
sísmico.
Figura 6 - A "casa anti-sísmica" de Pirro Logorio, para a segurança dos edifícios contra terramotos, 1570 (Fonte:
M. M. Trabalhos de Engenharia Civil)
A consciência do papel fundamental desempenhado pela distribuição da malha estrutural do
18
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
edifício está bem presente no “Tratatti classici de arquitecttura”, de Vitruvio e L.B. Alberti a
Palladio, assumindo de forma explícita e consequente como sendo a primeira casa antisísmica, proposta por Pirro Ligorio depois do terramoto de Ferrara de 1570 (Figura 6).
A mesma consciência está na origem da famosa imagem da Milízia (1781), a qual fala de
"casa" anti-sísmica como sendo uma "caixa" de madeira susceptível só de alterações
monolíticas, mas não de desarranjos interiores que possam comprometer a integridade desta.
Com espírito substancialmente análogo aos tratados clássicos, as normas sísmicas modernas
reassumem a exigência de condicionar os limites do vão máximo livre da parede de fachada,
admissível em edifícios em alvenaria.
4.2. Projecto de reabilitação
O projecto de reabilitação de uma construção é em tudo semelhante ao projecto de uma obra
nova, ou seja, deve conter os documentos necessários para uma correcta execução, sendo eles
as Peças Desenhadas e Peças Escritas.
No entanto, os projectos de reabilitação estrutural, devido ao seu grau de especialização,
devem ser elaborados com grande especificidade em relação à metodologia da execução dos
trabalhos e aos cuidados a ter durante a efectivação. Com isto, diminuí-se as probabilidades
de ocorrência de erros. Deve-se, também mencionar os equipamentos e materiais a utilizar,
bem como as respectivas condições de aplicação.
No caso de construções que continuam a ser utilizadas durante a execução dos trabalhos, tal
situação deverá também ser tida devidamente em conta. Deverá também ser incluída uma
estimativa do custo de cada trabalho, estabelecida de forma realista.
As soluções de reparação ou reforço de construções antigas são muito variadas, dependendo do
tipo de patologia que se procura corrigir, nomeadamente se da reparação da degradação dos
materiais se trata, ou da reparação dos efeitos de acções mecânicas, ou, ainda, de intervenções
com vista à melhoria da segurança contra a acção dos sismos (Santos cit. in Barros et al., 2004).
19
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
A escolha das soluções deverá, assim, ser devidamente justificada e ser objecto de análises
custo-beneficio. Como será óbvio, deverá ter-se em vista a sua máxima eficácia ao mais
baixo custo possível, respeitando o mais possível os outros princípios referidos atrás,
particularmente o respeito pelo valor cultural da construção (Santos cit. in Barros et al.,
2004).
Por vezes os métodos mais intrusivos, como é o caso da aplicação do “cordolo”1, componente
metálica que vai ser alvo de uma análise aprofundada mais á frente, não beneficiam a relação
custo-beneficio. No caso da reabilitação das habitações afectadas pelo sismo dos Açores de
1998, a aplicação do “cordolo” foi abandonada, pois a sua execução tinha um grau muito
elevado de dificuldade e de custos, não favorecendo a relação custo-beneficio.
4.3. A utilização do aço
Hoje em dia, apesar de existirem variados materiais a serem utilizados no reforço de
estruturas, o aço é o material mais utilizado em reforço estrutural no que à acção sísmica em
estruturas de alvenaria concerne.
A sua principal característica é a sua grande ductilidade, propriedade de manter a resistência
mesmo perante significativas deformações, sendo a sua utilização aconselhada em estruturas
localizadas em zonas sísmicas. De facto, os elementos de reforço neste material possibilitam
que na eventualidade de um colapso estrutural este não ocorra de um modo brusco, mas sim
gradual.
O aço é um material com grandes capacidades de flexibilidade construtiva, o que possibilita
resolver problemas estruturais com grande sucesso, dado as diversas formas de
comercialização, quer geométricas (varões, perfis laminados, enformados a frio, secções
tubulares, chapa quinada), quer mecânicas (diversas tipos de aço e classes de resistência)
(http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
As possibilidades oferecidas por este material são de tal modo vastas que permitem a
execução de uma ampla gama de operações, que vão desde o simples reforço de um elemento
1
Viga de confinamento que circunscreve as paredes de alvenaria, como se um cordão periférico se trata-se.
20
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
até à completa restruturação e adaptação anti-sísmica da própria estrutura globalmente
(http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
A utilização de elementos de aço no reforço estrutural tem várias vantagens, como sejam:
•
Aspectos estéticos, como a esbelteza e a clareza das formas;
•
Possibilidade de modelação;
•
Reversibilidade.
Tem ainda várias vantagens em relação á utilização em obra, tais como:
•
As reduzidas dimensões;
•
A “leveza”, quando considerando o binómio peso-resistência e auto-porte;
•
Simplicidade no transporte;
•
Utilização em espaços reduzidos;
•
Facilidade de colocação em obra;
•
Tempos de execução reduzidos;
•
Pré-fabricação.
Neste último aspecto, pré-fabricação, a sua utilização vem diminuir o tempo de montagem dos
elementos, já que estás são executadas em oficina, bem como permitir um ritmo maior de
produção paralelo ao processar da obra, assim como um melhor controlo da qualidade. Os
elementos estruturais chegam à obra em partes, as quais são facilmente montadas através de
21
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
ligações aparafusadas. Nas figuras seguintes é possível ver a colocação em obra das
componentes de uma treliça pré-fabricada.
A reversibilidade permite a reutilização dos elementos metálicos, o que é uma grande
vantagem em diferentes casos de intervenção, tais como a utilização como reforço provisório
em edifícios que sofreram um sismo.
A leveza dos elementos metálicos vem facilitar a colocação e montagem em obra, sendo na
sua maioria possível de montar e transportar as componentes manualmente, como se pode
verificar na figura 7.
Figura 7 – Componentes de uma treliça a ser descarregada em obra manualmente (Fonte: M.M. Trabalhos de
engenharia civil)
Figura 8 – Barra de ancoragem dos tirantes, componente leve e pouco intrusiva (Fonte: M. M. Trabalhos de
engenharia civil)
22
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
As reduzidas dimensões destes elementos, associadas á elevada resistência, permitem
executar obras de reabilitação estrutural em edifícios com valor cultural, sem que se utilizem
métodos muito intrusivos. Obtém-se, deste modo, um bom funcionamento estrutural dos
edifícios, sem afectar o seu valor cultural e patrimonial.
A facilidade e rapidez de colocação em obra torna o aço um instrumento ideal para o reforço
das estruturas, principalmente quando se actua no reforço de edifícios que sofreram um sismo
e que se encontram vulneráveis Uma rápida actuação pode, por vezes, impedir o colapso total
do edifício.
4.4. Níveis de intervenção
Como já se viu anteriormente, existem vários factores que podem influenciar o tipo de
intervenção a ser aplicada. Dessa maneira, subsistem vários níveis de intervenção possíveis,
sendo que estes variam com os factores já anteriormente referidos, tais como: o valor
histórico, as patologias existentes, o índice de vulnerabilidade sísmica, os fundos disponíveis,
etc.
Os níveis de intervenção podem ser classificados como:
•
Salvaguarda;
•
Reparação;
•
Reforço;
•
Restruturação.
Os primeiros dois níveis pressupõem a existência de inadequado funcionamento da estrutura,
do ponto de vista da segurança, enquanto os últimos dois, não implicando necessariamente a
existência de danos estruturais que ponham em causa a sua segurança, estão indicados quando
23
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
se pretende dar uma nova finalidade à estrutura, ou então modificá-la de modo a estar de
acordo com as novas disposições regulamentares (http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
4.4.1. Salvaguarda
Por salvaguarda entende-se o conjunto de intervenções, de carácter geralmente provisório,
destinadas a garantir a segurança da estrutura enquanto não são realizados os trabalhos de
intervenção de carácter definitivo. Este tipo de intervenção é geralmente utilizado quando
existe a possibilidade de colapso parcial ou total da estrutura (http://www.dgpatr.pt, Junho
2005).
Um caso típico para o qual se recorre a intervenções de salvaguarda, refere-se às medidas de
emergência a tomar após a ocorrência de um sismo. Aplica-se, pois, quando a urgência da
intervenção é prioritária, a carência de materiais e de fundos de financiamento exige medidas
de simples e rápida actuação, em simultâneo com grande flexibilidade operativa
(http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
4.4.2. Reparação
A reparação encontra-se cronologicamente a seguir à salvaguarda e prevê a execução de
trabalhos com a finalidade de restituir à estrutura a segurança e a funcionalidade iniciais. Este
tipo de intervenção é efectuado na sequência de anomalias funcionais causadas, por exemplo,
por agentes atmosféricos, efeitos dos sismos, ou outras causas que provoquem danos
estruturais e comprometam a segurança dos edifícios (http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
Em oposição à salvaguarda, a reparação tem um carácter definitivo, sendo por vezes de fácil
previsão quando os danos estruturais são devidos ao envelhecimento da estrutura ou a efeitos
ao logo do tempo. Neste caso, o diagnóstico é geralmente fácil, não exigindo medidas de
intervenção urgentes (http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
4.4.3. Reforço
O nível seguinte de intervenção pode ser classificado como reforço. Aqui não é necessária a
existência de danos estruturais, mas sim a necessidade de dotar a estrutura de resistência
24
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
suficiente para fazer face à sua nova utilização. Como exemplo, refira-se a existência de
cargas mais elevadas, ou ainda a necessidade de dotar a estrutura de resistência sísmica, como
é o caso dos edifícios construídos em épocas passadas e para os quais não existia
regulamentação sobre este tipo de acção (http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
Figura 9 - Pormenor de aparelho de apoio para evitar a transmissão de impulsos às paredes (Fonte:
http://www.dgpatr.pt, Junho 2005)
Figura 10 - Reforço com inclusão de contraventamento visando melhorar a resistência sísmica (Fonte:
http://www.dgpatr.pt, Junho 2005)
De um modo geral o reforço não prevê alterações significativas do esquema estrutural
resistente. Relativamente à reparação, verifica-se que no reforço estrutural os trabalhos a
realizar podem ter diversas intensidades, consoante o nível de resistência exigido à
construção. Este aspecto assume particular importância do ponto de vista sísmico, quando se
trata de melhorar ou adequar correctamente a estrutura para fazer face a este tipo de acção
(http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
25
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
4.4.4. Restruturação
O caso mais geral e complexo das intervenções é o da restruturação. Consiste na modificação
parcial ou total dos espaços, da volumetria e do esquema resistente. Este tipo de intervenção é
efectuado quando se pretende uma nova distribuição de espaços, ou quando, face à nova
regulamentação, o esquema estrutural existente é inadequado, mesmo que reforçado, à nova
função da estrutura (http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
No âmbito da restruturação podem ser consideradas as intervenções (http://www.dgpatr.pt,
Junho 2005):
•
De esvaziamento estrutural do interior da construção inicial, com posterior inserção de
uma nova estrutura no interior;
•
Ampliações, quer horizontais quer em elevação;
•
Aligeiramento da estrutura e inserção de novas sub-estruturas no interior das
existentes.
Em zonas sísmicas, como é o caso de Portugal, todas estas intervenções de restruturação
exigem que as novas estruturas possuam adequada resistência face a acções sísmicas
(http://www.dgpatr.pt, Junho 2005).
4.5. Considerações económicas
Os métodos de reabilitação são cada vez mais aplicados em Portugal, encontrando-se, hoje em
dia, cada vez mais ultrapassados os problemas económicos relacionados com estas
metodologias, comparativamente com a execução de obras novas.
Quando se pensa em reabilitar estruturalmente um edifício é necessário a execução de estudos
económicos para se concluir a viabilidade e as metodologias a aplicar. No entanto, a
26
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
orçamentação deste tipo de obras é um problema para os técnicos, sobretudo devido à falta de
definição dos custos a serem aplicados às operações.
Não existem ainda em Portugal publicações com valores sobre os custos dos trabalhos de
reabilitação. O LNEC iniciou a elaboração de largas centenas de fichas de composição de
custos deste tipo de trabalhos e que deverá conseguir publicar em breve. Entretanto, para a
estimativa e orçamentação das obras, os técnicos têm de recorrer à elaboração directa, caso a
caso, dos custos, ou de fichas próprias similares àquelas, ou ainda de recorrer a outros tipos de
informação tais como: fichas analíticas de composição de custos de referência ou fichas de
custos médios (ICOMOS, 2004).
Os reforços com estruturas metálicos são uma das metodologias mais aplicadas em Portugal,
começaram a serem utilizados num período entre 1800 e 1950 e hoje em dia já tem uma
utilização vasta no território nacional.
Segundo a Direcção Geral do Património, no âmbito da recuperação estrutural baseada em
elementos metálicos, e tomando por base a vasta experiência italiana neste domínio, podem
ser individualizados vários tipos de operações efectuadas em:
1. Paredes;
2. Varandas e lajes em consola;
3. Pavimentos;
4. Coberturas;
5. Escadas;
6. Estruturas inseridas no interior;
7. Outros tipos de intervenção.
É interessante observar que as coberturas têm o maior custo percentual e a máxima frequência
de operações de intervenção. Tal facto será devido à elevada utilização de elementos
metálicos nas ligações entre as várias partes constituintes das coberturas.
27
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Os pavimentos surgem em segundo lugar, devido a que normalmente os edifícios antigos
terem pavimentos em madeira, os quais são reforçados por vigas metálicas, chapas quinadas,
etc.
Figura 11 - Distribuição da frequência por tipo de intervenção (Fonte: http://www.dgpatr.pt, Junho 2005)
Figura 12 - Distribuição percentual dos custos por tipo de intervenção (Fonte: http://www.dgpatr.pt, Junho 2005)
Nas restantes parcelas, a utilização de elementos metálicos tem vindo a aumentar pois, quando
se fala de reforço estrutural sísmico, tem que se pensar que a melhor forma de funcionamento
do edifício é obter-se um funcionamento em conjunto de todas as partes deste. De notar que
esse mecanismo só é possível de se obter quando o reforço é feito a todos os níveis do
edifício.
É também importante mencionar que o aumento da utilização destes elementos metálicos é
devido a estes proporcionarem intervenções pouco intrusivas, e com isso conduzir a custos
mais reduzidos.
28
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
5. Mecanismos de colapso típicos das estruturas de alvenaria
É muito importante ter noção que a forma de colapso dos edifícios pode variar devido a
diferentes circunstâncias e que, deste modo, o reforço a ser utilizado também varia. Assim
sendo, seguidamente vão ser definidos os dois modos de colapso basilares existentes para
edifícios de alvenaria de pedra.
5.1. Mecanismos de colapso de primeiro modo
Estes mecanismos dizem respeito à parede de fachada principal, mas também se podem
estender facilmente à parede da fachada posterior (não obstante esta fachada ser de diferentes
dimensões). Considera-se, no entanto e do lado da segurança, a sua análise através do estudo
detalhado da estabilidade da fachada principal.
Figura 13 - Mecanismo de primeiro modo: rotura monolítica da fachada por ter sido ultrapassada a capacidade da
ligação com as paredes das empenas laterais (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)
Os primeiros dois mecanismos são grosseiramente simplificados: ambos recorrem a uma
parede ideal, privada de aberturas, e diferem entre eles no facto de considerar a ligação com
as paredes ortogonais das empenas. Se a ligação não existe a parede é derrubada
monoliticamente (Figura 13), se a ligação existe a parede da fachada é danificada na ligação,
dando origem ao mecanismo clássico de rotura conhecido como mecanismo de Rondelet. Este
29
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
autor descreveu no seu Tratado de princípios do sec. XIX (J. B. Rondelet, Traité théorique et
pratique de l’art de bâtir, Paris, 1802) (Figura 14).
Figura 14 - Mecanismo de primeiro modo: mecanismo de Rondelet considerando a ligação efectiva das paredes
das empenas laterais (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)
O terceiro mecanismo é uma adaptação do mecanismo de Rondelet, que entra em linha de
conta com a presença na fachada das aberturas de portas e janelas (Figura 15).
Figura 15 - Mecanismo de primeiro modo: mecanismo de “Rondelet” considerando a presença de aberturas na
parede da fachada (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)
Para uma parede de fachada, o primeiro mecanismo forma-se com um valor de aceleração,
segundo o R.S.A igual a:
30
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
a = β ⋅ g = (S H ) ⋅ g
Sendo:
•
a – aceleração;
•
g – aceleração da gravidade;
•
S – espessura da fachada;
•
H – altura do edifício.
Enquanto o segundo mecanismo requer, na hipótese que envolve a parede inteira, só os
últimos três níveis, por exclusão do nível enterrado, sendo as acelerações iguais,
respectivamente, a:
a = β ⋅ g = 1 .5 ⋅ ( S H ) ⋅ g
No mecanismo de Rondelet a viragem de cada metade da parede advém do ponto que
corresponde à fissuração inclinada, que forma com a vertical um ângulo θ. Por conseguinte, a
força que se opõe ao mecanismo de viragem é a componente (P·senθ), perpendicular à linha
de fissuração. Esta corresponde ao peso da porção triangular de parede envolvida no
mecanismo, enquanto que a força que favorece o mecanismo é a força sísmica aplicada à
mesma porção triangular.
O braço do peso é o mesmo do mecanismo da viragem global (S/2) enquanto o braço da força
sísmica é igual a (H/3)·senθ (Figura 16).
31
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 16 - Mecanismo de primeiro modo (de Rondelet) (Fonte: M. M. Trabalhos de Engenharia Civil)
É evidente que no cálculo proposto para o segundo mecanismo se negligencia o
desaparelhamento do ”tecido” da parede do edifício necessário para restabelecer, ao longo das
linhas de fractura, a congruência geométrica do mecanismo, obtendo-se de tal forma valores
do multiplicador de colapso que poderiam resultar ligeiramente inferiores aos reais.
Todavia, é preciso ter presente que mesmo no cálculo do primeiro mecanismo se despreza
completamente o efeito estabilizante, devido à ligação com as paredes de meação ou de
contraventamento. Isto significa que a resistência associada a tal mecanismo é, na realidade,
de qualquer modo superior ao valor obtido pelo cálculo acima indicado, ou seja: a não
consideração destes factores favoráveis é uma atitude eventualmente defensiva mas segura.
Ainda e por outro lado, nas paredes reais estão sempre presentes na fachada aberturas que
modificam o mecanismo de Rondelet. O efeito de tais aberturas envolve uma redução do
trabalho estabilizante que decorre do citado desaparelhamento das pedras da fachada e, por
conseguinte, numa diminuição adicional da diferença entre os multiplicadores de colapso
relativos ao primeiro e ao segundo mecanismo.
Em conclusão, medir a resistência sísmica das paredes de fachada considerando o derrube
monolítico da mesma, suposta sem aberturas, é uma medida do lado da segurança, mas não
32
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
excessivamente cautelosa (tendo em conta a aceleração sísmica capaz de produzir um dano no
edifício e, contingentemente, o colapso).
•
A intervenção para controlar os mecanismos de primeiro modo
A queda provocada pelo derrube da fachada vulnerável constitui o mecanismo que é activado,
em primeiro lugar, na ocasião de um evento sísmico.
A introdução de amarrações metálicas, à cota dos pavimentos, e de cordões de topo armados
garantem a conexão das fachadas às paredes de contraventamento (paredes laterais do
edifício), permitindo transferir a estas últimas a acção sísmica. Acresce que, como as paredes
de contraventamento se opõem à acção de queda por derrube produzida pelo terramoto, a sua
maior dimensão em planta pode fornecer uma resistência de grandeza superior à das paredes
da fachada.
Em presença duma malha estrutural de muros com um grande desenvolvimento, a intervenção
tradicional, de atirantar firmemente as fachadas, origina duas ordens de problemas
conhecidos.
Em primeiro lugar, é evidente que não é por si só suficiente colocar os tirantes em
correspondência com as paredes de contraventamento, às quais os mesmos tirantes possam
estar devidamente ancorados. Com esta disposição de tirantes impede-se unicamente a queda
por rotura e derrube global da fachada, mas não se evitam os mecanismos parciais de
Rondelet atrás descritos.
O troço de parede entre dois tirantes é, de facto, solicitado à flexão pela acção sísmica. Ora,
por causa da modestíssima resistência à tracção da alvenaria de pedra, a única possibilidade
da parede se opor a este estado de solicitação é o funcionamento em arco ao longo deste troço
horizontal e na espessura da parede.
33
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Uma distância excessiva entre dois tirantes consecutivos poderá originar o tal funcionamento
em arco, porém é este mesmo o responsável pela rotura à flexão da parede (Mecanismo de
Rondelet).
Figura 17 - Comportamento em arco na espessura da parede na presença de tirantes de piso.(Fonte: M.M.
Trabalhos de Engenharia Civil)
O espaçamento óptimo entre tirantes depende, naturalmente, da espessura e quantidade da
parede a atirantar e não só da disposição de aberturas de portas e janelas.
A espessura e qualidade da parede definem directamente a forma de funcionamento do arco,
enquanto a disposição das aberturas condiciona a possibilidade para ancorar de forma eficaz
os tirantes.
Nos casos em que são necessários tirantes intermédios adjacentes às paredes de
contraventamento, nasce o problema de transferir a acção de contenção da fachada promovida
pelos tirantes para essas mesmas paredes de contraventamento.
Soluções diferentes são naturalmente possíveis e elas dependem mais uma vez do vão da
parede a sustentar.
34
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Para vãos modestos pode, efectivamente, ser suficiente recorrer a tirantes inclinados,
enquanto que para vãos mais imponentes a solução tem que ser mais articulada, passando pela
inserção de uma viga reticular na qual se ligam os tirantes intermediários.
5.2. Mecanismo de colapso de segundo modo
A acção sísmica que pelos tirantes conectados é transmitida da fachada à viga reticulada, deve
ser suportada pelas paredes de contraventamento nas quais a mesma viga se apoia.
Para tal, como já foi dito, a resistência de tais paredes de contraventamento é sensivelmente
superior às das paredes das fachadas, podendo esta ser superada, dando origem à clássica
rotura diagonal no plano, mecanismo do segundo modo (Figura 18).
Figura 18 – Mecanismo de primeiro modo (fachada não conectada) e de segundo modo (fachada com tirantes
conectados) (Fonte: M. M. Trabalhos de Engenharia Civil)
A verificação formal dos mecanismos do segundo modo ou o cálculo da resistência sísmica
das paredes de contraventamento é um problema para o qual ainda hoje subsistem grandes
35
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
incertezas e, não é por caso, que em todos os modelos disponíveis o papel dos pressupostos
subjectivos ainda assumem um carácter relevante.
Os procedimentos baseados no cálculo dos requisitos de tangencial nas paredes paralelas para
a acção sísmica, sugere a definição de um parâmetro de resistência a considerar, na ausência
de determinações baseadas em processos experimentais, assume um carácter fortemente
convencional.
Igualmente, os procedimentos baseados nos mecanismos de colapso são condicionados
pesadamente pela escolha do mecanismo mais provável e, também aqui, só uma
experimentação precisa garantiria a confiança da verificação.
Não obstante, em comparação às verificações que envolvem a avaliação da resistência, a
experimentação baseada nos mecanismos têm o mérito indiscutível de modelar com maior
realismo, o real comportamento estrutural das construções de edifício para as quais os
problemas de estabilidade são muito mais urgentes em lugar de os problemas de resistência.
Com o propósito de definir racionalmente os mecanismos de segundo modo, pode ser útil
recorrer a algumas experimentações de laboratório.
Na figura 19 são comparados os mecanismos de colapso de uma mesma parede, privada de
aberturas, em ausência e em presença de atirantamentos (preparado, neste último caso, em
dois níveis).
36
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 19 - Influência de tirantes de plano nos mecanismos de segundo modo: mecanismos de colapso sem (à
esquerda) e com (à direita) tirantes (Fonte: Sicurezza e conservazione dei centri storici, Il caso Ortigia)
Figura 20 – Interpretação dos resultados experimentais da figura (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)
Figura 21 - Mecanismo de colapso de segundo modo(Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)
37
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
O Anexo II aborda este tema de forma mais clara e desenvolvida.
38
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
6. Elementos metálicos de reforço sísmico
Ao longo deste capítulo vão ser apresentados os diferentes elementos metálicos usados no
reforço sísmico em edifícios de alvenaria. Para uma mais completa compreensão das suas
funções e do seu cálculo será apresentada uma aplicação real no capitulo 7, pois julga-se
importante analisar o funcionamento conjunto entre a alvenaria e os elementos metálicos.
Como complemento informativo de cada tipo de componente em anexo encontram-se
esquemas técnicos e fotos de aplicações em obra.
6.1. Tirantes
O tirante é uma componente de reforço estrutural de aço, normalmente aço inox, que trabalha
à tracção, podendo ter funções passivas ou activas na estrutura. No entanto, a sua função,
quando se trata de reforço anti-sismico, é geralmente passiva, só funcionando à tracção
aquando a ocorrência de um fenómeno sísmico.
Figura 22 – Tirantes em varões com esticadores, Hospital da Horta, ilha do Faial, Açores (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil)
39
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
A aplicação desta componente metálica já acontece há bastantes anos em Portugal, sendo que
antigamente só eram aplicados em edifícios cujos proprietários tinham posses económicas, ou
ainda em edifícios que exigiam uma elevada segurança sísmica devido á sua função, como o
caso dos hospitais (figura 22).
Existem vários tipos de tirantes, podendo ter a forma de varões, cabos, barras ou vergalhões
de ferro ou de aço. No caso sísmico, antigamente eram usados tirantes em varões de ferro,
hoje em dia são normalmente usados cabos de aço semelhantes a cabos de pré-esforço.
Figura 23 – À esquerda tirantes em varão e à direita tirantes em cabos (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia
civil)
Aplicação dos tirantes permite resistir á actuação das forças sísmicas horizontais,
perpendiculares ás paredes de fachada, evitando o derrube das mesmas, através do travamento
efectuado pelos tirantes.
Na aplicação sísmica em edifícios de pequeno vão estes tirantes são aplicados percorrendo
todo o vão, sendo ancorados nas fachadas. Já em edifícios com vãos mais elevados existe a
necessidade de ter uma ancoragem intermédia, realizada através de uma ligação a uma viga
reticulada.
Após a ancoragem nas fachadas é regulada a intensidade da tensão do cabo, através de um
esticador (figura 25). Tal dispositivo permite aumentar ou diminuir a tensão do cabo, sendo a
sua regulação manual, em geral. No entanto, o cabo não deve exercer qualquer tipo de tensão
sob as fachadas.
40
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 24 – À esquerda Tirante com ligação intermédia a uma viga reticulada, à direita tirante sem ligação
intermédia ancorado na parte exterior da parede da fachada (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
Figura 25 – Esticadores (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
Como se referiu, os tirantes são passivos, pois como não estão a exercer tensão sob as
fachadas, só ficam activos perante um fenómeno sísmico. Sendo assim, quando ocorre um
sismo os tirantes vão permitir que todas as paredes de fachada, através desta ligação,
funcionem em conjunto, servindo de apoio ao deslocamento das mesmas.
É importante frisar a possibilidade de regular a tensão dos tirantes, pois após a ocorrência de
um sismo permite fazer uma nova regulação da tensão e capacitar o edifício para resistir a um
novo sismo.
41
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 26 – Esquema de aplicação de tirantes num edifício em Ortigia, Italia (Fonte: Sicurezza e conservazione
dei centri storici, il caso Ortigia)
6.2. Cinta de coroamento (cordolo)
A aplicação do “cordolo”, mais conhecido como cinta de coroamento, não é muito usual em
Portugal. Porém, em Itália é uma prática corrente no reforço sísmico dos edifícios de
alvenaria.
Recentemente este método foi aplicado em algumas habitações pertencentes às obras de
reabilitação do sismo de 1998, na ilha do Faial nos Açores. Muito embora, não foi possível
realizar esta intervenção em todos os edifícios, pois este método tem um grau de dificuldade
elevado. Na verdade, não só é necessário recorrer a mão-de-obra especializada como obriga a
algum tempo de laboração, o que leva ao encarecimento da obra.
O objectivo desta metodologia é repartir as forças horizontais sísmicas, ligar as paredes das
fachadas favorecendo um comportamento de caixa, distribuir as cargas verticais e reduzir os
42
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
deslocamentos da cobertura, ou seja: confinar e segurar a estrutura global de alvenaria e
madeira.
O “cordolo”, basicamente, é uma barra metálica que é aplicada no topo dos edifícios,
permitindo ligar as quatro fachadas e ao mesmo tempo fazer a união com a cobertura. A ideia
é, portanto, que todo este conjunto funcione de modo simultâneo e solidário aquando a
ocorrência de um sismo.
Figura 27 – Preparação do topo das paredes para a recepção do “cordolo” (Fonte: M. M. Trabalhos de
engenharia civil)
Este método de reforço é constituído por uma barra padrão de φ 24mm para paredes de 45cm
a 50cm de espessura, variando o diâmetro com a espessura da parede, proporcionlamente.
Esta barra deve ser inserida no interior das paredes em pelo menos 50cm, desde o seu topo,
devendo percorrer todas as paredes e fazendo a ligação entre elas como um “coroamento”.
Figura 28 – Aplicação do “cordolo” em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
43
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
A ligação entre a barra e a cobertura é efectuada através de varões com ligações em gancho ao
varão longitudinal e na extremidade contrária através ligações aparafusadas, de forma a
fixarem placas metálicas ás pernas da cobertura.
Figura 29 – Ligação do “cordolo” á cobertura (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
O mesmo reforço deve ser efectuado nas empenas laterais, caso existam, de forma a impedir o
derrube do bico da empena, o qual tem uma fragilidade mais elevada.
Como se pode verificar, a execução em obra desta metodologia é complexa e bastante
intrusiva, o que desfavorece a relação custo-beneficio.
6.3. Barras de amarração (ancoragem)
As barras de amarração são peças normalmente em aço inox, que servem para executar a
ancoragem dos tirantes na parte exterior das paredes. Estas barras podem ter formas
rectangulares ou redondas (“bolachas”), com cerca de 50cm de comprimento ou diâmetro,
respectivamente.
Serão sujeitas a uma carga linear, obtida após a distribuição do esforço de tracção transmitido
pelos tirantes às paredes.
As ancoragens podem ser executadas de duas formas, dependendo da situação e do tipo de
edifício.
44
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Se não existe a possibilidade de manter as barras de amarração à vista, por motivos estéticos,
então ter-se-ão duas formas de se executar o trabalho, sem ser demasiado intrusivo.
Quando é possível, no final do trabalho, rebocar toda a fachada, então far-se-á uma abertura
em forma de molde com as dimensões da barra de amarração, no local onde será amarrado o
tirante. Este método, apesar de não deixar á vista a barra de amarração, não permite um acesso
à mesma ao longo do tempo, o que tornará intrusivo qualquer tipo de intervenção sobre a
barra, após a finalização da reabilitação.
Figura 30 – Barras de amarração (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
Figura 31 – Barras de ancoragem (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
45
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Outra possibilidade ocorre quando as fachadas são em pedra à vista, o que, por vezes, permite
disfarçar a barra de amarração entre as pedras da fachada. Este método é mais simples e de
mais fácil execução que o anterior.
Se existe a possibilidade de manter as barras à vista, então as barras devem amarrar os tirantes
na face exterior das paredes, não evitando este método que mais tarde se possa rebocar o
edifício.
6.4. Viga reticulada (treliça)
Esta componente é constituída por perfis metálicos, de secção rectangular oca, e normalmente
é pré-fabricada. Isto permite poupança de tempo na execução da obra, assim como facilita a
montagem. Esta viga é descarregada em obra em componentes, o que permite, quando da
montagem, regular o seu tamanho, adaptando-se, assim, ao vão do edifício.
Figura 32 - A viga reticulada controla o derrube da fachada, transferindo através dos tirantes do piso, as forças
sísmicas aplicadas na fachada às paredes de contraventamento (Fonte: M.M. Trabalhos de Engenharia Civil)
A viga reticulada recebe, preferivelmente mas não necessariamente, em correspondência
directa com os montantes (peças perpendiculares às linhas da viga), as forças transmitidas
46
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
pelos tirantes intermediários e transfere-as aos apoios de extremidade, representados pelas
duas paredes de contraventamento nas quais a mesma se apoia (Figura 32).
Nos casos em que é possível colocar a viga reticulada numa posição central em relação ao
comprimento das paredes de contraventamento (paredes laterais do edifício), a transmissão
das cargas para estas acontece da mesma forma para as solicitações originadas pela actuação
das forças nos dois sentidos, ou seja, quer pelos tirantes conectados à fachada principal, quer
pelos tirantes conectados à fachada posterior. Devem ser tidos em conta os mesmos
alinhamentos para ambas as fachadas.
Figura 33 – Viga reticulada colocada em posição central em relação ás paredes laterais do edifício (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil)
Porém, nos casos em que se é forçado a colocar a viga reticulada numa posição não central, é
preferível que esta seja colocada o mais distante possível da parede da fachada a segurar. Isto
permite que seja mobilizada uma maior quantidade de parede de contraventamento, através da
mobilização de uma maior quantidade de peso destas paredes. Tal disposição vai aumentar,
consideravelmente, a capacidade resistente ao derrube surgido pela acção produzida pelos
tirantes intermédios, que são conectados à viga reticulada.
No calculo da viga reticulada recorre-se a métodos numéricos, o que é efectuado por
programas informáticos, normalmente.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 34 – À esquerda ligação da viga reticulada ás paredes laterais, à direita conecção do tirante à viga
reticulada (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
6.5. Ligações aparafusadas
As ligações aparafusadas, como o próprio nome indica, são ligações efectuadas por parafusos
metálicos que permitem conectar os elementos metálicos com a estrutura existente do edifício.
Estas ligações são de extrema importância, pois permitem garantir a segurança e o bom
funcionamento dos restantes elementos metálicos utilizados no reforço sísmico do edifício.
Para que seja garantido o bom desempenho destas ligações aparafusadas é necessário
efectuar-se o correcto cálculo das mesmas, como, por exemplo, o dimensionamento das
ligações dos tirantes aos perfis metálicos da treliça e a ligação dos perfis metálicos às vigas de
madeira dos pavimentos, entre outras ligações.
Figura 35 – Diferentes tipos de ligações aparafusadas (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Na execução das ligações aparafusadas a quantidade de parafusos a serem utilizados é
determinada através do dimensionamento, quando se obtêm as condições ideais de segurança,
salvo no caso da existência de regulamentação sobre as mesmas ligações.
O calculo efectuado para o dimensionamento das ligações aparafusadas será demonstrado no
capitulo 7, conjuntamente com outros elementos, de forma a facilitar a sua compreensão.
6.6. Chapas
Existem variados tipos de chapas a serem utilizadas no reforço anti-sismico, que variam com
o tipo de função desejada.
A chapa quinada é um dos tipos mais utilizados no reforço sísmico, sendo uma chapa em
forma de cotovelo que serve de apoio às vigas de madeira dos pavimentos, Ao mesmo tempo
permite fazer a ligação entre as paredes inferiores ao pavimento.
Figura 36 – Chapa quinada (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
Esta chapa é aparafusada ás paredes, enquanto as vigas podem estar simplesmente apoiadas
sobre esta ou através de ligações aparafusadas.
Outro tipo utilizado são as chapas que permitem o reforço das vigas existentes, normalmente
de madeira, através da aplicação de chapas de aço pregadas às vigas, constituindo vigas
mistas aço/madeira (Appleton, 2003).
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Para um bom funcionamento deste método deve-se atender à relação entre os módulos de
elasticidade do aço e da madeira, para se homogeneizar a secção composta, escolhendo-se, em
função disso, a altura e a espessura das chapas (o coeficiente de homogeneização a utilizar
poderá ser de 20:1) (Appleton, 2003).
Para além destes dois métodos mais usuais, existem variadas formas de utilizar chapas
metálicas, pois é possível criar chapas apropriadas a cada situação. No anexo VIII são
apresentados vários tipos de chapas metálicas, assim como esquemas técnicos das mesmas.
Figura 37 – Reforço de vigas de madeira com chapas de aço pregadas (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia
civil)
6.7. Vigas metálicas
As vigas metálicas servem para substituir as peças em mau estado, ou para reforçar zonas
debilitadas dos edifícios. As suas funções são em tudo semelhantes as vigas aplicadas em
obras novas.
Na execução destas vigas é necessário uma ancoragem às paredes, através de chapas
metálicas e ligações aparafusadas, ou simplesmente recorrendo a aberturas criadas nas
paredes nas quais são colocadas as extremidades da viga, seguindo-se a betonagem.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 38 – Viga metálica (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
Para que este método não se torne demasiado intrusivo, no final da aplicação da viga metálica
é possível disfarçar com um tecto falso, ou mesmo através de um isolamento da viga com um
molde que permita imitar o resto do tecto.
Figura 39 – Viga metálica com molde a imitar o edifício (Fonte: Manuale per la riabilitazione e la riconstruzione
postsismica degli edifici)
6.8. Ligações metálicas entre componentes da estrutura da cobertura
As ligações metálicas entre componentes da cobertura, apesar de não serem normalmente um
alvo directo de reforço sísmico dos edifícios, permitem um melhor funcionamento em
conjunto de todo o edifício.
Estas ligações são efectuadas através de chapas metálicas, conhecidas com o nome de
ferragens ou samblagens, com uniões aparafusadas que permitem fazer os nós das asnas. Estas
51
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
ferragens podem ter diferentes formas (figura 40), a saber: pé de galinha simples ou dobrado,
tê, cruzeta, braçadeira ou esquadro; formas estas que se vão adaptar as diferentes ligações.
Figura 40 – Elementos metálicos usados nas ligações das coberturas (Fonte: Reabilitação de edifícios antigos,
patologias e tecnologias de intervenção)
É também possível, quando necessário, substituir alguns pendurais por tirantes, o que permite
reforçar estruturalmente a cobertura.
No anexo X é possível observar esquemas de aplicação destes elementos metálicos, assim
como fotos de aplicações em obra.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
7. Caso real (Açores, Ilha do Faial, Horta)
O presente caso é referente a uma habitação unifamiliar afectada pelo sismo ocorrido em
1998, nos Açores. A habitação, cujo seu proprietário é o Sr. Gualtério Melo Quadros, situa-se
na Rua Conselheiro Medeiros, n.º42, na cidade da Horta, Ilha do Faial, Açores.
Figura 41 - Edifício antes e após reforço sísmico (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
O Projecto de Reforço Sísmico do Edifício, descrito de seguida, foi elaborado pela empresa
M.M. Trabalhos de Engenharia Civil, em regime de consultadoria com um grupo de
professores italianos.
7.1. Descrição do caso
O edifício em questão é formado por um corpo principal de planta rectangular e por um corpo
confinante a este, no seu alçado posterior, edificado com como ampliação mais recente,
conferindo à construção uma forma em “L”. Embora de menor envergadura, este corpo
transmite algum travamento ao corpo principal do edifício.
Trata-se de um edifício com um piso térreo e três pisos superiores, possuindo no último uma
torrinha voltada para as traseiras.
O edifício é constituído por paredes de alvenaria de pedra de basalto, que conferem apoio aos
pavimentos de madeira e à estrutura de também madeira da cobertura. Assim, como paredes
resistentes do edifício temos todo o perímetro do corpo principal e do corpo contíguo das
traseiras.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
No corpo principal o vigamento de suporte dos pavimentos de madeira, dos diversos pisos,
está dividido em dois vãos. As vigas do primeiro vão apoiam-se nas paredes de pedra da
fachada, e as do segundo no alçado posterior, apoiando-se ambos numa estrutura porticada
interior de madeira. Esta terá já sido alvo de revisão ao nível do rés-do-chão, através da
execução de uma viga de betão armado, que apoia em três pilares de betão armado e nas
paredes das empenas laterais.
O edifício está implantado no interior de um quarteirão, confinando lateralmente com outros
edifícios de porte inferior.
7.2. Elaboração do projecto
Dado que o edifício em análise está confinado lateralmente por outras construções, a acção
sísmica na direcção perpendicular à parede da fachada é a mais gravosa.
Da análise ao derrube das paredes do edifício pela actuação das forças sísmicas horizontais,
que lhe são perpendiculares, e no sentido de evitar que este ocorra, resultou o recurso a
tirantes que efectuam o travamento da fachada.
Devido às condições meteorológicas locais, que são caracterizadas por valores de humidade
permanentemente elevados, dada a situação geográfica que se traduz por uma influência
marítima muito acentuada, cuja acção é muito agressiva, e dado que os tirantes terão de
manter as suas características por um longo período de tempo, foi adoptada a utilização de
cabos de aço inox, devido à sua maior durabilidade.
Os tirantes serão fixados na parte exterior da parede da fachada através de amarrações em
barras metálicas, que ficam travadas transversalmente na face exterior da parede de alvenaria
de pedra. Para isso será preciso efectuar a abertura de furos nas paredes de alvenaria de pedra,
de forma a possibilitar a passagem dos cabos. Os cabos deverão ficar devidamente esticados
utilizando-se para tal esticadores, bem como outros acessórios de ligação, como sapatilhos
para protecção dos cabos e cerra cabos que efectuarão a amarração dos cabos. Todos estes
acessórios deverão ser em aço inoxidável.
54
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Ao nível dos pavimentos de madeira, foi estudada uma solução em que é utilizada uma
estrutura metálica para fixação dos cabos. Esta estrutura foi projectada de forma a ser possível
a sua pré-fabricação por módulos em estaleiro, sendo composta por perfis metálicos de secção
rectangular oca. Os módulos serão ligados entre si por ligações aparafusadas. Esta estrutura
metálica será executada na parte central do edifício, junto à viga-trolha, sendo fixada às vigas
de madeira existentes.
Para apoio desta estrutura metálica será necessário executar apoios nas paredes laterais do
edifício, sendo para tal efectuada a demolição de uma porção de parede de alvenaria de pedra
e executado um apoio em alvenaria de tijolo maciço, incluindo a fixação de um perfil
rectangular oco, permitindo a ligação aparafusada do módulo de extremidade.
Quanto à solução de reforço junto ao coroamento da parede, esta passa pela colocação de um
varão φ20 corrido em todo o contorno do coroamento. Este varão ficará 70 cm abaixo do topo
da parede de forma a possibilitar a amarração da estrutura da cobertura. Para tal serão
utilizados varões de aço φ12 com ligações em gancho ao varão longitudinal, que terão a outra
extremidade roscada de forma a serem fixados com placas metálicas e porcas aos tirantes da
cobertura.
Este reforço deverá ser efectuado igualmente nas empenas laterais, de forma a impedir o
derrube do bico da empena, cuja fragilidade é agravada pela existência de janelas nos alçados
laterais. O reforço nesta zona obriga a executar uma viga de madeira composta por tábuas de
secção 30x2cm, fixadas sob a estrutura inclinada da cobertura e dispostas a 45º relativamente
à parede. É nesta viga que será fixado o reforço do coroamento na empena lateral, através da
aplicação de barras metálicas que permitem a ligação com os varões φ12 e que serão
aparafusadas à viga de madeira.
7.2.1. Verificação numérica
O Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes indica, como
forma de quantificação da acção sísmica numa dada direcção, a seguinte expressão:
55
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
β = β0·(α/η)
Em que:
β0 – coeficiente sísmico de referência, que depende das características do terreno e da
frequência própria fundamental da estrutura na direcção considerada.
α – coeficiente de sismicidade, que depende da zona sísmica em que se localiza a
construção e que para o Faial é igual a 1, dado pertencer à zona A.
η – coeficiente de comportamento, que depende do tipo de estrutura e das suas
características de ductilidade, atribuindo o REBAP para as estruturas em parede de
ductilidade normal o valor de 1,5.
Esta expressão define o coeficiente sísmico β, que é um coeficiente que multiplicado pelo
valor das acções gravíticas correspondentes às cargas permanentes e ao valor quase
permanente das cargas variáveis. Assim podemos obter o valor característico da resultante
global das forças estáticas que permitem determinar os efeitos da acção sísmica.
Do que:
β = β0·(α/η) = 0,4·(1/1,5) = 0,27
Determinação dos esforços nos tirantes
Para determinar os esforços que são necessários mobilizar ao nível dos tirantes, para que não
se dê o derrube da parede da fachada, é necessário efectuar o cálculo do equilíbrio à rotação
em torno de cada eixo definido pelos diferentes pisos, que funcionam como charneira do
movimento de derrubamento.
56
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Assim temos:
Derrube em torno do ponto A do último piso da parede de fachada:
•
peso da parede:
W = 0,70×3,60×1800 = 4.536 kgf/m
•
força sísmica:
β⋅W = 0,27×4536 = 1.225,7 kgf/m
•
peso do coroamento:
Q = 0,70×0,70×1800 = 882 kgf/m
•
comprimento da frente do edifício: L = 11,95 m
Equilíbrio à rotação em torno da aresta externa da parede à cota do terceiro piso:
W×0,70/2 + T1×2,90 - β⋅W×3,60/2 = 0
57
⇒
T1 = 213,3 kgf/m
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Derrube em torno do ponto B da parede de fachada ao nível do segundo piso:
•
peso da parede:
W = 0,70×6,80×1800 = 8.568 kgf/m
•
força sísmica:
β⋅W = 0,27×8757 = 2.313,4 kgf/m
•
tracção no coroamento:
T1 = 213,3 kgf/m
Equilíbrio à rotação em torno da aresta externa da parede à cota do segundo piso:
W×0,70/2 + T1×6,10 + T2×3,20 - β⋅W×6,80/2 = 0 ⇒
T2 = 1.114,3 kgf/m
Derrube em torno do ponto C da parede de fachada ao nível do primeiro piso:
•
peso da parede:
W = 0,70×10,0×1800 = 12.600 kgf/m
•
força sísmica:
β⋅W = 0,27×12.600 = 3.402 kgf/m
•
tracção no coroamento:
T1 = 213,3 kgf/m
•
tracção ao nível do 3º piso:
T2 = 1.114,3 kgf/m
Equilíbrio à rotação em torno da aresta externa da parede à cota do primeiro piso:
W×0,70/2 + T1×9,30 + T2×6,40 + T3×3,20 - β⋅W×10,0/2 = 0
⇒
T3 = 1.089 kgf/m
Derrube em torno do ponto D da parede de fachada ao nível do solo:
•
peso da parede:
W = 0,70×13,0×1800 = 16.380 kgf/m
•
força sísmica:
β⋅W = 0,27×16.380 = 4.423 kgf/m
58
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
•
tracção no coroamento:
T1 = 213,3 kgf/m
•
tracção ao nível do 3º piso:
T2 = 1.114,3 kgf/m
•
tracção ao nível do 2º piso:
T3 = 1.089 kgf/m
Equilíbrio à rotação em torno da aresta externa da parede à cota do piso térreo:
W×0,70/2 + T1×12,3 + T2×9,4 + T3×6,2 + T4×3,0 - β⋅W×13,0/2 = 0 ⇒ T4 = 1.056 kgf/m
Como é possível observar, os tirantes do terceiro piso são os mais solicitados, embora não
haja uma variação muito acentuada para os restantes pisos, com a excepção do esforço obtido
junto à cobertura, onde o valor obtido corresponde aproximadamente a um quinto do esforço
obtido para os outros níveis.
Foi elaborada uma distribuição dos tirantes nas zonas de continuidade vertical da parede,
tendo em conta as aberturas dos vãos de janelas e portas da fachada, tendo-se concluído que
serão necessárias cinco amarrações à parede da fachada e outras cinco para a parede do alçado
posterior, conforme indicado na planta apresentada na figura 42.
Tendo em conta as distâncias entre cada amarração à parede da fachada é possível obter os
seguintes valores para o esforço de tracção por cada tirante a aplicar:
59
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
T2 - Para os tirantes da parede da fachada principal ao nível do terceiro piso:
T21 =
T22 =
T23 =
T24 =
T25 =
2,20
× 1114,3 = 1225,73 kgf = 12,02 kN
2
2,20 + 3,30
× 1114,3 = 3064,33 kgf = 30,04 kN
2
3,30 + 2,70
× 1114,3 = 3342,9 kgf = 32,77 kN
2
2,70 + 2,20
× 1114,3 = 2730,04 kgf = 26,77 kN
2
2,20
× 1114,3 = 1225,73 kgf = 12,02 kN
2
T3 - Para os tirantes da parede da fachada principal ao nível do segundo piso:
T31 =
T32 =
T33 =
T34 =
T35 =
2,20
× 1089 = 1197,9 kgf = 11,74 kN
2
2,20 + 3,30
× 1089 = 2994,75 kgf = 29,36 kN
2
3,30 + 2,70
× 1089 = 3267,0 kgf = 32,03 kN
2
2,70 + 2,20
× 1089 = 2668,05 kgf = 26,16 kN
2
2,20
× 1089 = 1197,9 kgf = 11,74 kN
2
T4 - Para os tirantes da parede da fachada principal ao nível do primeiro piso:
2,20
× 1056 = 1161,6 kgf = 11,39 kN
2
2,20 + 3,30
=
× 1056 = 2904,0 kgf = 28,47 kN
2
3,30 + 2,70
=
× 1056 = 3168,0 kgf = 31,06 kN
2
2,70 + 2,20
=
× 1056 = 2587,2 kgf = 25,36 kN
2
2,20
=
× 1056 = 1161,6 kgf = 11,39 kN
2
T41 =
T42
T43
T44
T45
Enquanto que para a parede do alçado posterior foram obtidos os seguintes esforços:
60
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
T2 - Para os tirantes ao nível do terceiro piso:
T25 =
T26 =
T27 =
T28 =
T29 =
2,80
× 1114,3 = 1560,02 kgf = 15,29 kN
2
2,80 + 2,70
× 1114,3 = 3064,33 kgf = 30,04 kN
2
2,70 + 2,00
× 1114,3 = 2618,61 kgf = 25,67 kN
2
2,00 + 2,90
× 1114,3 = 2730,04 kgf = 26,77 kN
2
2,90
× 1129 = 1615,74 kgf = 15,84 kN
2
61
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 42 – Planta do reforço estrutural da habitação da rua Conselheiro de Medeiros, nº 42 (Fonte: M. M.
Trabalhos de engenharia civil)
62
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
T3 - Para os tirantes ao nível do segundo piso:
T35 =
T36 =
T37 =
T38 =
T39 =
2,80
× 1089 = 1524,6 kgf = 14,95 kN
2
2,80 + 2,70
× 1089 = 2994,75 kgf = 29,36 kN
2
2,70 + 2,00
× 1089 = 2559,15 kgf = 25,09 kN
2
2,00 + 2,90
× 1089 = 2668,05 kgf = 26,16 kN
2
2,90
× 1089 = 1579,05 kgf = 15,48 kN
2
T4 - Para os tirantes ao nível do primeiro piso:
T45 =
T46 =
T47 =
T48 =
T49 =
2,80
× 1056 = 1478,40 kgf = 14,49 kN
2
2,80 + 2,70
× 1056 = 2904,0 kgf = 28,47 kN
2
2,70 + 2,00
× 1056 = 2481,6 kgf = 24,33 kN
2
2,00 + 2,90
× 1056 = 2587,2 kgf = 25,36 kN
2
2,90
× 1056 = 1531,20 kgf = 15,01 kN
2
Assim, verifica-se que através das distâncias adoptadas entre os tirantes e o valor da força
sísmica horizontal linear, obtido ao nível dos pisos, resulta, como tracção máxima no tirante
mais esforçado, o valor de 3342,9 kgf ou 32,77 kN, correspondente ao terceiro piso.
Dimensionamento dos cabos de aço dos tirantes
Com base nos valores obtidos é possível efectuar o dimensionamento dos cabos de aço inox,
que irão funcionar como tirantes.
63
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Como regra de dimensionamento deste tipo de cabos é utilizada uma relação de segurança
entre a carga de rotura e a carga de trabalho, cujo valor aconselhável a aplicar varia no
intervalo de 4 a 5. Este valor depende da carga aplicada e da frequência com que ocorre a
solicitação.
No caso em análise, os cabos de aço inox a aplicar poderão ser sujeitos a esforços bruscos,
mas a sua utilização será muito rara, dado que os intervalos de tempo entre os sismos de
maior amplitude são de cerca de 15 a 20 anos.
Para proceder à determinação dos diâmetros a utilizar foram consultados fornecedores deste
tipo de cabos, tendo sido possível obter os seguintes valores para as cargas de rotura:
Quadro 1 – Valores dos diâmetros a utilizar para as cargas de rotura (fonte: própria)
6 x 19
6 x 36
Diâmetros
(mm)
Massa
(kg/100m)
Carga de
Rotura (kN)
φ8
26,3
46,3
φ10
38,9
68,4
φ12
55,1
97,6
φ14
78,7
139,0
φ16
Massa
(kg/100m)
Carga de
Rotura (kN)
79,4
126,0
107,0
169,0
Como critério para o dimensionamento do diâmetro dos cabos e número de cordões foi
considerado que uma relação de segurança de 2, pelo que como valor da carga de rotura do
cabo se considerou o valor de 6.685,8 kgf ou 65,55 kN, obtendo-se, assim, um cabo
constituído por 6 cordões de 19 fios com um núcleo igualmente composto por fios de aço.
Os fios de aço utilizados na composição do cabo têm uma resistência de 1770 N/mm2. Pelo
que o diâmetro obtido para os cabos a utilizar nas ancoragens ao nível dos pisos é de 12mm.
64
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Verificação ao escorregamento do coroamento da cobertura
Para que o coroamento da parede e os tirantes do piso possam realmente sustentar o esforço
acima calculado, é necessário controlar que não se verifica o escorregamento devido à
ancoragem.
No que respeita ao coroamento da parede, o contacto entre o coroamento e a parede sob o
mesmo origina uma reacção devido ao atrito que afecta toda a extensão da fachada e é devida
ao peso do coroamento e da cobertura. Tal reacção impede o escorregamento súbito e garante
a eficácia do vínculo. Assumindo um coeficiente de atrito: f = tanϕ = 0.5, e apenas
considerando somente o peso do coroamento da parede sobre a ancoragem, pode-se escrever:
T1 = 213,3 kgf/m < Q×f = 882×0.5 = 441 kgf/m
Verificação ao escorregamento das ancoragens
No que respeita às ancoragens dos tirantes ao nível dos pisos, realizadas através da amarração
dos cabos de aço em barras metálicas travadas contra a face exterior da parede de alvenaria de
pedra da fachada, o escorregamento pode ocorrer na cunha de parede sobre a qual a
amarração é efectuada.
Tal cunha é delimitada, superiormente e inferiormente, por duas superfícies horizontais e
lateralmente por um plano diagonal à parede inclinado a 45°, sendo esta porção de parede
envolvida no mecanismo de escorregamento.
Considerou-se que a reacção de atrito ocorre, neste caso, sobre as duas superfícies horizontais
de escorregamento, superior e inferior da cunha de parede, e é devida ao peso do pano de
parede que se encontra por cima.
Para a situação mais desfavorável, que é a que se verifica na ancoragem central a executar na
parede da fachada no terceiro piso, verifica-se que a carga sobre a amarração:
65
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
(0.50 + 0.70)×0.70×3.60×1800 = 5443,2 kgf =53,36 kN
Pelo que:
T2×3,00 = 1114,3× 3,00 = 3342,9 kgf < 2×5443,2× 0.5 = 5443,2 kgf
Dimensionamento das barras de amarração dos tirantes
Na ligação dos cabos de aço à parede de alvenaria de pedra serão usadas barras de aço de
secção rectangular com 50 cm de comprimento, que estarão sujeitas a uma carga linear obtida
após a distribuição do esforço de tracção transmitido pelos tirantes à parede:
- Ligação com os tirantes
Como tracção máxima transmitida pelo tirante mais esforçado temos 32,77 kN, pelo que
resulta uma solicitação sobre a barra de:
q sd =
Tmáx 32,77
=
= 65,55 kN/m
l
0,50
l )
(
× 2
2
M sd = q sd
2
= 66,55 ×
0,25 2
= 2,048 kN × m
2
Considerando uma secção de 7cmx3cm para a barra, verifica-se uma tensão de:
σ
sd
=
M sd
2,048
×y=
× 0,015 = 195.047,62 kN/m 2 ≅ 195,05 MPa
3
Iy
0,07 × 0,03
12
O valor de tensão obtido é inferior à tensão resistente do aço, que é de 275,0 MPa para o aço
Fe430 a aplicar.
Enquanto que no contacto entre a barra e a parede verifica-se uma tensão localizada de:
66
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
σ
barra/parede
=
T
S barra
=
32,77
= 936,29 kN/m 2 ≅ 0,94 MPa
0,50 × 0,07
Dimensionamento da treliça composta pelos perfis rectangulares ocos
Tal como foi referido, os cabos de aço inox que funcionam como tirantes são ligados a uma
treliça constituída por perfis metálicos de secção rectangular oca.
Foi estudada uma solução que permite a sua pré-fabricação por módulos, procedendo-se à sua
montagem no local da obra, sendo executados apoios para esta estrutura nas paredes laterais
do edifício e executadas amarrações pontuais por peças metálicas (pequenas chapas) que
serão ligadas por parafusos às vigas de madeira sob o pavimento existente. A localização da
estrutura a ser executada é junto à viga-trolha, que atravessa transversalmente o edifício na
sua parte central, conforme peças desenhadas.
Seguidamente, foi efectuado o cálculo da viga-treliça composta pelos perfis metálicos de
secção rectangular oca, solicitada pelas forças horizontais transmitidas pelos tirantes,
funcionando à flexão.
Assim, foi efectuado o cálculo da referida estrutura através do auxílio de um programa
informático de cálculo estrutural, tendo sido utilizado o modelo estrutural aqui apresentado:
Figura 43 – Modelo estrutural da treliça (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
67
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Do cálculo efectuado resultaram perfis de secção 120x80x8 para as barras longitudinais,
montantes e diagonais. Como resultado do cálculo efectuado temos os seguintes valores das
reacções nos apoios, para cada uma das acções consideradas:
Acção Sísmica 1
Acção Permanente
Rx1 = 78,3925 kN
Ry1 = 23,3679 kN
Rz1 = 1,7075 kN
Rz2 = 1,6976 kN
Rz19 = 1,6573 kN
Rx2 = −112,2322 kN
Ry2 = 36,7534 kN
Rx19 = −58,7926 kN
Rz20 = 1,6672 kN
Ry19 = 23,5945 kN
Rx20 = 92,6324 kN
Acção Sísmica 2
Rx1 = −78,0081 kN
Ry1 = −30,2343 kN
Rx2 = 112,4157 kN
Ry2 = −29,8584 kN
Rx19 = 58,6616 kN
Ry19 = −27,9083 kN
Rx20 = −93,0692 kN
Assim é possível concluir que o peso da estrutura em perfis metálicos é de 6,7296 kN ou
686,42 kgf, obtendo-se assim de forma simplificada que o peso linear da estrutura metálica é
de 64,76 kgf/m.
Dimensionamento das ligações aparafusadas
Será necessário efectuar o dimensionamento das ligações aparafusadas que efectuam a ligação
dos tirantes aos perfis metálicos da treliça e a ligação dos perfis metálicos às vigas de madeira
do pavimento.
68
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
- Ligação Perfis Metálicos / Vigas de Madeira
Tendo em conta uma distância máxima entre as vigas de madeira existentes de 0,70m, o peso
próprio da estrutura metálica (64,76 kgf/m) e as forças sísmicas horizontais transmitidas à
estrutura pelos tirantes (no caso mais desfavorável, 1114,3 kgf/m), resultam nos seguintes
esforços por viga de madeira:
Tx = 1114,3× 0,70 = 780,01 kgf/m
Ty = 64,76× 0,70 = 45,33 kgf/m
Obtendo-se assim:
Tresult = 780,012 + 45,33 2 = 781,33 kgf / viga
Entre cada viga de madeira existente e a estrutura metálica serão utilizadas três chapas de
ligação, onde serão aparafusados quatro parafusos por chapa. Assim, cada chapa será
traccionada por um esforço de 260,44 kgf ou 2,55 kN, enquanto que cada parafuso é sujeito a
um esforço de corte de 65,11 kgf ou 0,64 kN.
Temos que o esforço de cálculo dos parafusos é de:
Tsd = 1,50 × 0,64 = 0,96 kN
Utilizando parafusos de 6mm de diâmetro de aço Fe360 da classe de resistência 4.6 temos:
2
 = 4,65 kN
Trd = 0,7 × fyd × A parafuso = 0,7 × 235 × 10 3 ×  π × 0,006

4


Logo:
Trd = 4,65 kN > Tsd = 0,96 kN
Teremos, então, que as chapas de ligação serão sujeitas a um esforço de cálculo de:
Nsd = 1,50 × 2,55 = 3,825 kN
69
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
σ=
3,825
= 42500 kPa ≅ 42,50 MPa
0,03 × 0,003
Valor que é inferior à tensão resistente à tracção do aço, que é de 275,0 MPa para o aço Fe430
a aplicar nestas peças.
- Ligação Tirantes / Perfis Metálicos
Tendo em conta os valores obtidos para o esforço de tracção a aplicar, por cada cabo de aço, é
possível dimensionar a ligação destes à estrutura composta pelos perfis metálicos ocos.
Para ligação dos tirantes aos perfis metálicos foi considerada a utilização de uma chapa
metálica em aço Fe430, com uma secção transversal de 50x5mm. Esta chapa é dobrada de
forma a obter-se uma argola onde é amarrado o cabo de aço, ao mesmo tempo que permite
efectuar ligações aparafusadas aos perfis metálicos da treliça.
Dado que o valor máximo do esforço de tracção dos tirantes é de 3342,9 kgf ou 32,77 kN, as
chapas serão sujeitas a um esforço de cálculo à tracção de:
Nsd = 1,50 × 32,77 = 49,16 kN
σ=
49,16
= 196.640 kPa ≅ 196 ,64 MPa
0,05 × 0,005
Valor que é inferior à tensão resistente à tracção do aço, que é de 275,0 MPa para o aço Fe430
a aplicar.
Estas chapas serão fixadas à estrutura metálica de perfis ocos, através de três ligações
aparafusadas, obtendo-se um esforço máximo de corte na ligação de cada parafuso de 1114,3
kgf ou 10,925 kN.
Assim temos que o esforço de cálculo dos parafusos é de:
Tsd = 1,50 × 10,925 = 16,39 kN
70
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Utilizando parafusos M12 da classe de resistência 4.6 temos:
2
Trd = 0,7 × fyd × Aparafuso = 0,7 × 235 × 103 ×  π × 0,012  = 18,61 kN
4

Logo:
Trd = 18,61 kN > Tsd = 16,39 kN
7.2.2. Aplicação em obra
Para uma melhor compreensão dos cálculos anteriormente demonstrados é, seguidamente,
feito um acompanhamento fotográfico da aplicação dos elementos metálicos em obra.
-
Aplicação dos tirantes
Figura 44 – Aplicação dos tirantes em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
71
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 44 (cont.) – Aplicação dos tirantes em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
-
Aplicação das treliças
Figura 45 – Aplicação de treliça em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
72
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 45 (cont.) – Aplicação de treliça em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
73
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Figura 45 (cont.) – Aplicação de treliça em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
Figura 46 – Evolução da recuperação e disfarce da treliça (Fonte M. M. Trabalhos de engenharia civil)
74
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
-
Aplicação de ancoragens
Figura 47 – Execução de ancoragens em obra (Fonte: m. m. trabalhos de engenharia civil)
-
Aplicação do “cordolo”
Figura 48 – Aplicação do “cordolo” em obra (Fonte: M. M. Trabalhos de engenharia civil)
75
Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
Conclusão
Em Portugal uma parte significativa do património edificado é construído em alvenaria de
pedra natural, possuindo uma parte apreciável valor histórico. Assim sendo, é de extrema
importância manter as características dos edifícios utilizando métodos pouco intrusivos,
quando se efectua a sua justificada reabilitação.
A aplicação de elementos metálicos permite intervenções pouco intrusivas e de elevado
sucesso no reforço estrutural à acção sísmica. Contudo, e apesar da comprovação do
funcionamento destes elementos ainda não ser possível em Portugal, em Itália estas
metodologias, devido à sua elevada utilização, já foram devidamente demonstradas.
A aplicação de elementos metálicos tem várias vantagens, entre elas:
1) O transporte;
2) A colocação em obra;
3) A operacionalidade em espaços reduzidos;
4) A compatibilidade funcional e estática face às estruturas existentes;
5) A reversibilidade e a autonomia destes elementos, que facilita a manutenção e a
inspecção da estrutura;
6) A pré-fabricação.
Os elementos metálicos são normalmente em aço inoxidável. Este material, devido às suas
características de flexibilidade e à sua elevada ductilidade é bastante utilizado no reforço
sísmico, pois permite que na eventualidade de colapso estrutural este não ocorra de um modo
brusco mas sim gradual, ou seja: com aviso.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
A não existência de regulamentos que enquadrem a avaliação estrutural dos edifícios antigos,
leva a que na apreciação dessas construções seja utilizada regulamentação concebida
edificações novas. Assim sendo, cuidado deve existir na ponderação dos valores a utilizar,
para se obter segurança nos resultados, visto existir um elevado grau de incerteza.
A precisão da avaliação estrutural vai aumentar com o grau de detalhe da inspecção efectuada,
sendo conveniente efectuar exames qualitativos e quantitativos.
Para que seja possível a elaboração de um projecto de reforço adequado a cada edifício, devese ter em consideração que o comportamento das estruturas é influenciado:
1) Pela sua forma;
2) Pelas ligações da estrutura;
3) Pelos materiais de construção;
4) Pelas forças, acelerações e deformações impostas.
Portanto é importante elaborar um esquema estrutural, determinar os danos, tomar
conhecimento das características dos materiais e determinar as acções.
A obtenção de uma perfeita avaliação do edifício leva a que seja possível determinar as
melhores metodologias de intervenção, podendo esta ser de diferentes níveis:
1) Salvaguarda;
2) Reparação;
3) Reforço;
4) Reestruturação.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
O conhecimento dos mecanismos de colapso, podendo estes ser de primeiro ou segundo
modo, leva a que se tenha uma boa percepção dos efeitos dos sismos e os tipos de danos que
estes podem causar nos edifícios de alvenaria. Assim sendo é possível determinar o tipo de
componente metálica a ser usado para evitar os diferentes danos.
Cada componente tem uma função distinta no reforço da malha estrutural. Porém, como já foi
referido atrás, o bom funcionamento dessa malha deve ser visto em conjunto.
São vários os elementos metálicos utilizados no reforço sísmico, tirantes, barras de amarração
ou ancoragem, chapas, “cordolo” ou cinta de coroamento, vigas reticuladas, vigas metálicas,
ligações metálicas para componentes das coberturas e ligações aparafusadas.
Percebeu-se que todos estes elementos têm funções distintas, como foi explicitado ao longo
do trabalho, e de extrema importância no melhoramento da reacção do edifício à acção
sísmica.
Concluindo, admite-se terem-se atingido os objectivos fundamentais propostos, tendo sido
dado conhecimentos acerca dos principais elementos metálicos utilizados no reforço à acção
sísmica em edifícios de alvenaria, tanto a nível teórico como prático, como respostas aos
modelos de colapso neste tipo de construções.
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Reforço Sísmico de Estruturas de Alvenaria com Elementos Metálicos
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