Universidade do Minho - Escola de Engenharia

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL

Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado – 2016/17

Tema: Desenvolvimento e análise de uma base de dados experimental de ligações estruturais em edifícios de alvenaria

Aluno: Nuno Miguel da Silva Gonçalves

Número do Aluno: 54394

Orientador: Paulo B. Lourenço

Co-orientador: Rui Marques

1. IntroduçãoA construção com alvenaria estrutural, ainda que abandonada em Portugal, tem vindo a ser continuada de forma sustentada na Europa, em países como Alemanha, Itália e Reino Unido. É igualmente de prever um uso crescente de sistemas de alvenaria armada e confinada em países europeus com maior sismicidade, de encontro às novas versões em preparação dos Eurocódigos 6 e 8 (Fardis 2015), das quais se espera que possam incluir regras mais acessíveis para o projeto de alvenaria resistente. Brasil e Estados Unidos são também exemplos de países onde a construção com alvenaria estrutural tem sido praticada de forma sustentada (Marques 2013).

Por outro lado, os edifícios existentes em alvenaria representam uma parte significativa do património construído, a qual é importante preservar. No atual cenário de austeridade, a ação de preservar estes edifícios assume um papel relevante para o desenvolvimento económico e criação de emprego, com particular incidência na indústria do turismo e nos sectores tradicionais, e mesmo na indústria da construção. Isto é também importante face à renovada atividade no sector imobiliário, com relevo na reabilitação de edifícios em centros urbanos.

No contexto nacional, a Ordem dos Engenheiros fez chegar ao governo uma proposta de portaria para definição da segurança estrutural e sísmica, segundo a qual será necessário avaliar a capacidade resistente dos edifícios (a reabilitar) relativamente à ação dos sismos, em percentagem da capacidade resistente exigida para a satisfação da ação sísmica regulamentar, definida para o projeto de edifícios novos no mesmo local (Catarino dos Santos 2015). Esta proposta tem vindo a ser suportada pelo trabalho da Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica (SPES), em parceria com o LNEC, visando a Certificação Sísmica de Edifícios Existentes (SPES & LNEC 2017).

As ligações estruturais são uma componente comum em estruturas de edifícios novos e existentes de alvenaria. Para estas estruturas, o comportamento no plano e fora do plano das paredes tem sido considerado essencialmente de forma desligada, particularmente no que respeita às ações sísmicas. As ligações parede-parede e parede-pavimento são, no entanto, fundamentais no sentido de dotar o edifício de um “comportamento de caixa” face às ações horizontais, o qual garanta uma resposta conjunta dos elementos estruturais e uma distribuição de forças apropriada (Marques 2015). Com efeito, os mecanismos de resistência ao nível das ligações condicionam a resposta do conjunto estrutural, e.g. devido a insuficiente reação nos apoios e rotura das próprias ligações (Fig. 1).

O tema de ligações tem sido particularmente estudado no Brasil e na Alemanha, países onde a alvenaria apresenta grande aplicação e potencial de sustentabilidade. No Brasil, diferentes estudos tem sido desenvolvidos para análise de paredes com flanges, submetidas quer a ações verticais quer horizontais (Parsekian et al. 2012). As ligações parede-pavimento tem sido especialmente estudadas na Alemanha, face a ações estáticas, e nos EUA relativamente à ação sísmica. Este é também um tópico importante no caso de edifícios antigos em alvenaria, os quais apresentam em geral tipos de ligações distintos e com diferentes graus de eficiência, e que influenciam significativamente o comportamento da estrutura.

O trabalho proposto visa estudar os tipos de ligações estruturais mais comuns em estruturas de alvenaria, e por outro lado, avaliar a sua importância no comportamento estrutural dos edifícios. Pretende-se estabelecer um estado da arte de estudos experimentais, i.e. ensaios de ligações parede-parede e parede-pavimento, de modo a desenvolver uma base de dados experimental que possa ser posteriormente explorada. Tendo em conta a especificidade das ligações estruturais, pretende-se também proceder à análise numérica de casos especialmente representativos. A presente investigação é também importante com vista ao desenvolvimento posterior (fora do âmbito do trabalho) de modelos de interação para as ligações, os quais possam ser incorporados em modelos integrais para estudo do comportamento global de edifícios em alvenaria, assim como para estabelecer procedimentos de cálculo simplificados.

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2. ObjetivosO objetivo geral do estudo é, numa primeira fase, realizar uma pesquisa na literatura de estudos experimentais de ligações estruturais em edifícios de alvenaria, i.e. ensaios de ligações parede-parede e parede-pavimento, de modo a estabelecer uma base de dados experimental, a qual possa ser posteriormente explorada na riqueza do conjunto. Considerando a especificidade das ligações, pretende-se depois proceder à análise numérica de casos experimentais representativos de ligações parede-parede e parede-pavimento. Esta análise será feita com recurso a software baseado no método de elementos finitos (MEF), de modo a simular os ensaios experimentais. A análise focará o comportamento das ligações face a solicitações representativas, e.g. fenómenos de encurvadura face a cargas verticais e de corte-flexão face a solicitações sísmicas.

Diferentes estudos tem sido desenvolvidos com vista à avaliação da interação entre paredes em ligações de muros com flanges. Castro et al. (2016) estudaram a interação entre paredes de alvenaria de blocos de betão sob ações verticais. Foram ensaiadas duas séries de paredes com flanges inter-travadas, com vista a avaliar a distribuição de forças verticais pelas paredes ortogonais e o comportamento na rotura. Neste estudo foi evidenciado que existe transferência de carga da parede central (alma) para as flanges, e que a rotura ocorre no topo da alma (Fig. 2a). Haach et al. (2013) estudaram a influência das flanges no comportamento e resistência das paredes a cargas horizontais. Para isto, realizaram um estudo paramétrico da geometria (comprimento e posição das flanges), condições de fronteira e ângulo de aplicação da carga horizontal. Os resultados evidenciaram que as flanges tem influência significativa no comportamento à flexão das paredes e uma pequena contribuição para a resistência aos esforços de corte.

A interação entre lajes e paredes tem vindo a ser particularmente estudada na Alemanha, em especial para avaliação do fator de redução da resistência vertical das paredes devido aos efeitos de esbeltez e excentricidade, i.e. encurvadura. Jäger e Baier (2004) realizaram um estudo experimental e numérico de uma série de ligações à escala real, as quais consistiram basicamente numa estrutura de duas paredes intermediadas por uma laje rígida. O objetivo do estudo consistiu em avaliar (1) a distribuição de momentos na ligação e (2) a rotação e deflexão das paredes, para diferentes níveis de carga nas lajes e pré-compressão das paredes. Moreira et al. (2012) estudaram o comportamento experimental de diferentes ligações alvenaria-madeira, i.e. piso-parede e parede-frontal, em edifícios “Pombalinos”–“Gaioleiros”, com base em ensaios de arrancamento. Para as ligações piso-parede foram identificados diferentes modos de rotura em correspondência com determinados intervalos da força de arrancamento. No caso das ligações parede-frontal verificou-se em geral a formação de um cone de punçoamento (Fig. 2b), cuja forma é particularmente influenciada pelas condições de fronteira e pela distribuição de rigidez na ligação.

Aleman et al. (2014) ensaiaram em plataforma sísmica uma ligação parede-pavimento à escala real, a qual consistiu de uma parede em alvenaria simples ligada a um diagrama flexível de madeira (Fig. 2c), de modo a estudar o comportamento sísmico de edifícios antigos em alvenaria. O estudo foi complementado com ensaios de caracterização das propriedades da alvenaria, e diferentes técnicas de reforço foram também consideradas para a ligação. Foram depois efetuadas análises numéricas da parede, do diagrama de madeira e da ligação parede-diafragma, ainda que usando sobretudo aproximações elásticas e/ou métodos simplificados. Para finalizar, foi feita uma discussão das variáveis que influenciam a resposta da ligação, particularmente a distribuição de forças de inércia, deslocamentos e acelerações na parede de alvenaria.

Como se pode constatar, existe um conjunto importante de estudos sobre o comportamento de ligações em estruturas de alvenaria. Muitos destes estudos carecem de uma análise mais aprofundada, e por outro lado, acredita-se que a sua análise numa perspetiva conjunta pode ser a base de um conhecimento acrescentado, que será explorado na presente dissertação. Os objetivos específicos do trabalho incluem:

(a) O estabelecimento de um estado da arte útil e acessível sobre o tema, o qual possa ajudar a colmatar a dispersão de informação que existe sobre o tema, e também a deficiente formação dos engenheiros e projetistas de estruturas neste tópico.

(b) O desenvolvimento de uma base de dados experimental de ligações estruturais em edifícios de alvenaria, através do estudo exploratório de trabalhos de referência na literatura, e da recolha de resultados experimentais com relevância para a investigação.

(c) A exploração da base de dados com recurso a métodos estatísticos e/ou heurísticos, para identificação de tendências e padrões nos dados, assim como a definição de leis de comportamento, quer quantitativas quer qualitativas.

(d) A análise numérica de casos representativos de ligações, com base na simulação de ensaios experimentais em software baseado no MEF, e considerando solicitações de carga representativas.

(e) A avaliação, com base nos resultados da análise numérica, do comportamento das ligações em termos da distribuição de esforços e deformações, assim como dos mecanismos típicos de rotura.

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3. MetodologiaUm projeto de investigação deve ter uma metodologia adequada às suas necessidades, uma vez que esta terá uma importância fulcral no desenvolvimento e organização do trabalho. “O uso de um método sistemático é a alma da investigação” (Berndtsson et al. 2008).

A primeira etapa da investigação consiste no estudo do problema, o qual é já em geral identificado neste plano de dissertação, mas que requererá uma averiguação contínua e suficientemente profunda. O trabalho consiste sobretudo no desenvolvimento de uma base de dados experimental de ligações estruturais em edifícios em alvenaria, perante o problema da grande dispersão de estudos e resultados sobre o tema. Depois, com base na investigação global da base de dados, e na análise individualizada de alguns dos seus registos, procurar-se-á obter um conhecimento útil acrescentado.

Para a resolução do problema, o aluno necessitará estudar os conceitos gerais do comportamento estrutural de edifícios em alvenaria, o que será feito através da leitura de publicações sobre o tema, e.g. Lourenço (1999), e da própria interação com os orientadores. O aluno estudará depois os procedimentos de análise a aplicar recorrendo a bibliografia de referência, quer sobre métodos estatísticos e/ou heurísticos para análise da base de dados, e.g. Martín (2012), quer sobre simulação numérica baseada no MEF, e.g. Oñate (2016).

Numa fase distinta, o mestrando procederá já de forma independente à pesquisa do estado da arte sobre o tema da dissertação, na muita literatura disponível na biblioteca da Universidade do Minho (UM), nos repositórios e bases de dados eletrónicos disponíveis na UM, assim como na web. Nesta fase, o aluno estudará também as características típicas de ligações parede-parede e parede-pavimento em estruturas de alvenaria, ver Simões (2015) e Freitas Jr. (2013).

O aluno procederá depois à pesquisa de entradas para a base de dados experimental de ligações, e.g. Lin e LaFave (2012). Esta procura será também realizada na literatura e repositórios de dados disponíveis. A informação recolhida será reportada, e os dados quer quantitativos quer qualitativos serão armazenados numa ferramenta adequada, e.g. Microsoft Excel ou Microsoft Access. Nesta fase será feita também a seleção das variáveis relevantes a incluir na base de dados.

O procedimento a usar para a análise global da base de dados dependerá do número de registos obtidos, mas é de prever o uso de ferramentas convencionais de análise estatística, e eventualmente ferramentas de análise estatística e/ou heurística mais avançadas, de fonte aberta, e.g. R Development Core Team (2017). Serão utilizados métodos e algoritmos para identificação de tendências e padrões nos dados, de modo a definir leis/regras de comportamento, quer quantitativas quer qualitativas.

Será depois feita a seleção de um caso experimental especialmente representativo de uma ligação parede-parede, e outro de uma ligação parede-pavimento. Serão estudados mais profundamente estes dois casos, e pretende-se depois proceder a uma análise quási-estática da ligação parede-parede e dinâmica da ligação parede-pavimento, com referência aos estudos experimentais correspondentes. A modelação e simulação numérica será feita usando o software DIANA (2017), o qual tem vindo a ser continuadamente usado pelo grupo de investigação dos orientadores. Estão disponíveis estudos de referência relativos à simulação numérica de ensaios de ligações realizados na UM, e.g. Araújo et al. (2014).

Seguidamente, proceder-se-á à interpretação dos resultados obtidos, particularmente por comparação com os resultados experimentais. Com base nesta comparação, concluir-se-á sobre o nível de aproximação dos procedimentos de simulação usados, e proceder-se-á a eventual calibração de parâmetros, de modo a melhor aproximar os resultados experimentais. Será avaliada em particular, a distribuição de esforços e deformações, e os mecanismos típicos de rotura nas ligações. Espera-se também concluir sobre os parâmetros mais influentes no comportamento das ligações.

A escrita da dissertação será faseada ao longo do trabalho, para que possa ser revista e melhorada à medida que o conhecimento seja amadurecido. É de prever um período de escrita na fase de estudo do estado da arte, e são previstos posteriormente períodos de escrita à medida que forem reportados os resultados das análises. Será também considerado um período final exclusivo para conclusão da escrita.

4. Resultados EsperadosAtingidos os objetivos, esperam-se como principais resultados desta investigação:

- A sensibilização sobre a importância das ligações estruturais em edifícios de alvenaria, junto da comunidade de investigadores e projetistas de estruturas em alvenaria.

- Um estado da arte sobre o tema em estudo acessível aos investigadores e projetistas de estruturas em alvenaria, tendo em conta a dispersão e pouca utilidade da informação sobre o comportamento de ligações.

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- O desenvolvimento de uma base de dados experimental de ligações parede-parede e parede-pavimento em edifícios de alvenaria.

- A análise global da base de dados, de modo a identificar tendências e padrões nos dados. Espera-se concluir em geral sobre o comportamento global das ligações, e sobre as suas variáveis mais influentes.

- A simulação numérica de casos de ligações mais representativos, de modo a reproduzir a sua resposta experimental. Isto permitirá também verificar a adequabilidade da ferramenta de análise usada.

- A avaliação do comportamento estrutural das ligações, particularmente em termos da distribuição de esforços e deformações nos componentes, assim como dos mecanismos típicos de rotura.

5. Faseamento e CalendarizaçãoEsta secção é dividida em duas partes. Na primeira são detalhadas as atividades que serão desenvolvidas e na segunda é apresentada a calendarização das mesmas.

5.1 FaseamentoExpõem-se e descrevem-se seguidamente as principais fases de trabalho planificadas para esta investigação:

Fase I: Estado da arte sobre o tema e problema estudados

Esta atividade visa coletar o conhecimento técnico-científico necessário à realização da dissertação, abrangendo as várias vertentes que se pretendem investigar, com recurso a bibliografia disponível em repositórios nacionais e internacionais.

Fase II: Pesquisa exploratória de trabalhos de referência na literatura

Será feita uma pesquisa de estudos sobre a investigação experimental de ligações parede-parede e parede-pavimento.

Fase III: Desenvolvimento da base de dados de ligações estruturais

Depois de ter uma ideia geral do número e tipo de estudos experimentais sobre o tema, será idealizada e implementada a base de dados. Esta incluirá, para cada registo, além da identificação da origem do estudo, as principais características, variáveis e resultados do estudo experimental.

Fase IV: Análise global da base de dados

Esta fase visa a análise da base de dados em todo o seu conjunto, com ferramentas de análise estatística e/ou heurística. Isto permitirá identificar padrões e tendências nos dados, as quais possam derivar em regras/leis de comportamento.

Fase V: Seleção e estudo mais aprofundado de casos representativos

Esta atividade visa a identificação dos casos experimentais de ligação parede-parede e parede-pavimento mais adequados à realidade das construções. Estes serão assim estudados de forma mais aprofundada.

Fase VI: Análise numérica de ligação parede-parede e ligação parede-pavimento

Os ensaios experimentais identificados na fase anterior como particularmente representativos serão simulados com base no MEF. É de prever a realização de uma análise quási-estática para a ligação parede-parede e uma análise dinâmica para a ligação parede-pavimento.

Fase VII: Interpretação dos resultados da análise numérica das ligações

Esta fase destina-se à interpretação dos resultados da simulação numérica, com identificação das principais características da resposta das ligações, e suas implicações para a estabilidade dos edifícios.

Fase VIII: Escrita da dissertação

Consiste na escrita do documento referente à dissertação, e cujos conteúdos serão permanentemente revistos e melhorados. Esta terá um período comum a todas as atividades planeadas para a dissertação.

5.2 CalendarizaçãoO plano de trabalhos conducente à dissertação terá início em março, apresentando-se de seguida, sob a forma de cronograma dividido em semanas de trabalho, o tempo previsto para a realização de cada uma das fases identificadas na subsecção anterior.

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  Tempo (semanas)

  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Fase I X X X X

Fase II X X X X

Fase III X X X

Fase IV X X X

Fase V X X

Fase VI X X X X X

Fase VII X X

Fase VIII X X X X X X X

Referências BibliográficasAleman, J., Mosqueda, G., Whittaker, A. (2015) Out-of-plane seismic performance of URM walls with retrofitted parapets and flexible diaphragms, Proceedings of the Second ATC & SEI Conference on Improving the Seismic Performance of Existing Buildings and Other Structures, ASCE, pp. 328-339.

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Figuras

a b

Fig. 1: Dano sísmico em edifícios devido a (a) ligação parede-parede insuficiente 1 e (b) ligação parede-laje imprópria2 (1 jn.pt/multimedia/galeria.aspx?content_id=2533407, 2 db.world-housing.net/pdf_view/80).

a b c

Fig. 2: Ilustração do comportamento de ligações estruturais: (a) rotura em parede com flange1, (b) formação de cone de punçoamento em ligação alvenaria-madeira2 e (c) resposta dinâmica de ligação parede-pavimento3 (1 Castro et al. 2016, 2 Moreira et al. 2012, 3 Aleman et al. 2015)

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