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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2016
Equipa 1: Monitora: Carolina Cabanelas
Ruben Oliveira João Viana Supervisor: Luís Costa Professor Xavier Romão Rafaele Fonseca Francisco Santos Diogo Pinto
Ação sísmica sobre os edifícios:
Porque é que os edifícios caem?
Mestrado Integrado em
Engenharia Civil
2016/2017
1º Semestre
2 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Resumo
No âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP”, foi proposta,
aos estudantes do Mestrado Integrado em Engenharia Civil da
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), a
realização de um trabalho sobre "A ação dos sismos sobre os
edifícios", mais especificamente a razão pela qual alguns edifícios
caem. Pretende-se com este trabalho esclarecer o sismo e entender
a natureza da ação sísmica e os seus efeitos sobre os edifícios. Além
disso, pretendemos ainda dar a conhecer alguns conceitos básicos
sobre conceção estrutural dos edifícios e que tipos de colapso
estrutural se tem encontrado em alguns dos sismos mais recentes.
O trabalho foi realizado em duas fases principais: a recolha de
informações gerais sobre o tema e a análise e organização da
informação recolhida de acordo com os objetivos e possibilidades
propostos para a realização do trabalho.
Primeiramente, realizamos uma pesquisa abrangente de todo o
conteúdo necessário e indispensável para a elaboração do relatório,
reunindo informação acerca de natureza da ação sísmica sobre os
edifícios e conceitos chave de conceção estrutural.
3 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Agradecimentos
Ao professor Xavier Romão, nosso supervisor, e à monitora
Carolina Cabanelas, o grupo agradece por toda a disponibilidade
prestada no decorrer da realização do trabalho.
4 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Palavras-Chave
Sismos
Placas-tectónicas
Ondas Primárias
Ondas Secundárias
Mercalli
Richter
Betão Armado
Alvenaria
Inércia
5 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Índice
Resumo 2
Palavras - Chave 3
Agradecimentos 4
Lista de Figuras 6
Introdução 7
1. Os sismos: definição 8
2. A origem dos sismos 10
2.1. Métodos de classificação dos sismos 12
3. Sismicidade em Portugal 14
4. Efeitos sísmicos sobre as estruturas 16
5. Zonas de construção 18
6. Alvenaria VS Betão armado 19
7. Exemplos de sismos 22
Conclusão 25
Referências Bibliográficas 26
6 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Lista de Figuras:
Figura 1 (Direção de Porpagação das Ondas Primárias) 8
Figura 2 (Direção de Propagação das Ondas Secundárias) 8
Figura 3 (Localização das Placas Tectónicas) 10
Figura 4 (Tabela demonstrativas das escalas de Mercalli e Richter) 12
Figura 5 (Localização tectónica de Portugal) 13 Figura 6 (Falhas existentes em Portugal) 14
Figura 7 (Efeito da Inércia sobre um edifício) 16 Figura 8 (Exemplo de construção em alvenaria) 20
Figura 9 (Exemplo de construção em betão armado) 20
Figura 10 (Antes e depois do sismo em Itália) 21 Figura 11 (Destruição causada pelo sismo no Equador) 22
Figura 12 (Efeitos do sismo sobre o edifício Wheigan Jinlong) 23
7 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Introdução
Durante todo este ultimo mês, incluído na unidade curricular do
Projeto FEUP, o nosso grupo dedicou-se na realização de um
trabalho de pesquisa e de um relatório com o titulo: "porquê que
alguns edifícios caem?" Esta questão tem tido cada vez mais
relevância e mais importância devido aos riscos que proporciona ou
poderá proporcionar às populações. É, portanto, importante perceber
o que é um sismo, a sua influência no comportamento de um edifício
e quais os fatores que determinam a ação sísmica.
Os danos excessivos nos edifícios e o colapso dos mesmos
têm sido, ao longo da história, os fatores que levaram a um elevado
numero de mortes e a grandes perdas sociais e económicas. A
resistência sísmica das construções desempenha um papel de
grande relevo na proteção da população. Já existe em Portugal
regulamentação para a necessidade de as novas construções serem
resistentes a estes fenómenos, regulamentação essa que especifica
os requisitos necessários para que os edifícios sejam "anti-sismo".
8 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
1. Os sismos: definição
“Um sismo (...) é uma súbita libertação de tensão acumulada
por rutura dos materiais na crosta terrestre.” (Instituto Português do
Mar e da Atmosfera).
Um sismo ou terramoto é uma súbita libertação de tensão
acumulada, por rutura dos materiais na crosta terrestre, que é
propagada através de vibrações que se transmitem a uma vasta
área. Quando a deformação desses materiais excede a força de
coesão das rochas sob tensão elas fraturam-se através de planos de
fraqueza os quais podem já ser preexistentes.
Estas ondas dispersam-se, desde o foco, em todas as direções,
obrigando as partículas que constituem os materiais rochosos a
vibrarem, vibrações essas que se propagam sucessivamente às
outras partículas, originando ondas sísmicas que fazem “tremer” a
Terra. Estas ondas sísmicas ou vibrações podem ser divididas devido
a características especiais que cada uma delas possui: ondas
longitudinais e ondas transversais.
9 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Estas ondas designam-se por ondas internas, pois são ondas
com origem no foco que se propagam no interior da Terra, em
qualquer direção. A interação das ondas primárias e secundárias
com a superfície produz outro tipo de ondas - ondas de Love e de
Rayleigh.
As ondas de Love varrem a superfície terrestre,
horizontalmente, segundo movimentos de torsão. Atacam
preferencialmente os alicerces dos edifícios
Longitudinais - Ondas P (Primárias) As ondas P são do tipo compressivo. Uma
onda a propagar-se ao longo de uma mola
constitui um bom exemplo para este tipo de
ondas sísmicas. Fig. 1 – Direção de Propagação das ondas primárias
Fig. 2 – Direção de Propagação das ondas secundárias
Transversais – Ondas S (Secundárias)
As ondas S ou secundárias são ondas
tranversais ou de cisalhamento, o que
significa que o solo é deslocado
perpendicularmente à direção de propagação.
10 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
É relevante acrescentar que, normalmente, um sismo tem uma
duração máxima de 1 minuto. Após o sismo principal, seguem-se
alguns sismos de menor intensidade que se denominam de réplicas
e que originam devido ao reajustamento do material rochoso.
Existem os abalos premonitórios que antecedem o sismo principal e
que servem por vezes como forma de antevisão do que está por vir.
2. A origem dos sismos
Os sismos têm origem no movimento das placas tectónicas
(série de placas rígidas em situação de contínuo deslocamento)
existentes na litosfera (crusta terrestre e parte abaixo) e nos seus
movimentos lentos e constante de deslizamento sobre a astenosfera
(zona abaixo da litosfera) que resultam de forças e tensões. Esse
deslizamento ocorre até ao limite de elasticidade da placa gerando
uma grande quantidade de energia que, quando é finalmente
libertada, leva à propagação das ondas longitudinais e das ondas
transversais. As zonas de maior risco de sismo são as zonas em que
estas placas da litosfera se dividem, os designados limites das placas
tectónicas. Os sismos que ocorrem nessas zonas designam-se de
sismos interplacas e resultam maioritariamente de falhas nesses
limites. Existem ainda sismos que ocorrem em falhas ativas
localizadas no interior das placas litosféricas e que se designam por
sismos intraplacas.
11 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Quando os sismos ocorrem nos oceanos há a possibilidade de
ocorrência de tsunamis que podem, assim como os sismos, trazer
grande destruição para as populações.
FIg. 3 – Localização das placas Tectónicas
12 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
2.1. Métodos de classificação de sismos
Ao longo dos anos, os cientistas desenvolveram sistemas de
classificação de sismos de modo a poderem fazer um estudo
intensivo destes fenómenos e terem um método para os poderem
diferenciar. Estes métodos de classificação dizem respeito à
intensidade e à magnitude do sismo e designam-se de,
respetivamente por Escala de Mercalli e Escala de Richter.
A escala de Mercalli é usada para definir a intensidade do sismo, se
ndo uma medida qualitativa que descreve os efeitos produzidos pelo
mesmo em locais da superfície terrestre. A classificação desta
escala é feita através da observação dos danos resultantes dos
sismos.
A escala de Richter quantifica a energia libertada pelo sismo no
hipocentro (zona situada no interior da Terra onde ocorreu o sismo).
Um sismo tem sempre a mesma magnitude, mas pode ter
várias intensidades consoante a distância ao epicentro (projeção à
superfície da Terra do hipocentro).
13 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Fig. 4 – Tabela demonstrativa das escalas de Mercalli e Richter
14 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
3. Sismicidade em Portugal
A sismicidade em Portugal nunca foi muito intensa nem muito
frequente ao longo da sua história. No entanto, ao longo dos anos,
foram ocorrendo em Portugal, continental e ilhas, alguns sismos com
magnitude e intensidade elevados
No contexto da tectónica de placas, Portugal situa-se na placa
Euro-Asiática, limitada a sul pela falha Açores-Gibraltar (fronteira
entre as placas euro-asiática e africana) e a oeste pela falha dorsal
do oceano Atlântico. É nos limites destas placas que ocorre a
atividade sísmica interplacas, onde se definem zonas de elevada
relevância para este fenómeno geológico de entre quais se destacam
a região dos Açores e a zona do Banco de Gorringe (situa-se a oeste-
sudoeste do Cabo de São Vicente). A atividade sísmica interplacas é
responsável por vários sismos de elevada intensidade e magnitude
que ocorreram em Portugal, tais como o terramoto de 1755 e o que
ocorreu a 28 de fevereiro de 1969. A este tipo de sismo estão
normalmente associados graves danos estruturais e por vezes
destruição completa de áreas de habitação e urbanização.
Fig. 5 – Localização
tectónica de Portugal
15 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Relativamente, à atividade sísmica intraplaca, existe a
ocorrência de alguns sismos históricos, maioritariamente na zona na
zona litoral de Portugal continental, com magnitude estimada em
cerca de 7. A observação de um mapa de Portugal Continental
permite mesmo verificar que a maioria dos sismos intraplaca que
ocorreram no país estão associados a zonas de acumulação de
elevada atividade sísmica que se encontram no litoral, e que estão
associados a algumas falhas que existem no território nacional. De
entre estas falhas destacam-se a falha do Interior do Vale do Tejo,
que está associada ao sismo de Benavente que ocorreu em 1969, e
a falha de Setúbal, que é associada ao sismo que ocorreu nessa
cidade a 11 de novembro de 1858. Normalmente, estes sismos não
estão associados a graves danos estruturais, mas continuam a
constituir um perigo para a população.
Fig. 6 - Falhas existentes em Portugal
16 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
4. Efeitos sísmicos sobre as estruturas
Um edifício encontra-se, predominantemente, sujeito a cargas
na direção vertical, como por exemplo, peso das pessoas, peso dos
materiais que constituem a estrutura, etc.
No entanto, numa situação de sismo, o edifício será sujeito a cargas
na direção horizontal. Por isso, para percebermos os efeitos de um
sismo sobre uma estrutura, é importante perceber o comportamento
de um edifício aquando de um sismo.
1ª Lei de Newton: "Um corpo em repouso tende a permanecer
em repouso, e um corpo em movimento tende a permanecer em
movimento." (Isaac Newton)
Um sismo provoca o movimento dos terrenos. Portanto, um
edifício aí presente irá mover-se na base em consonância com os
movimentos terrestres, pelo facto de se encontrar em contacto direto
com o solo. Numa situação hipotética, o resto do edifício teria uma
tendência para se manter na posição inicial (Princípio da Inércia), só
que, na realidade, há também movimento por parte do resto do
edifício. Isto acontece devido ao simples facto das colunas e paredes
estarem conectadas entre si e sofrem também movimento. Utilizando
uma pequena analogia para percebermos melhor esta situação, ao
andarmos de autocarro, quando este arranca, o nosso corpo tem
tendência para se manter na mesma posição, mas sofremos um
movimento brusco por termos os pés assentes no autocarro e de os
nossos membros corporais estarem interligados.
17 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
2ª Lei de Newton: “A força é sempre diretamente proporcional
ao produto da aceleração de um corpo pela sua massa.” (Isaac
Newton)
Um dos fatores que influenciam a força da inércia é a massa de
um edifício. Quanto maior a massa de um corpo, maior será a força
de inércia exercida sobre esse mesmo corpo, ou seja, maior será o
movimento experimentado pelo edifício. Por vezes, há a ideia errada
de que quanto maior massa tiver um edifício, mais resistente ele será.
Porém, isso apenas se encontra associado à resistência dos
materiais que o constituem. Elevadas forças de inércia podem
provocar a fendilhação1 e deformação dos materiais que constituem
o edifício.
1 Fendilhação – Ato ou efeito de fendilhar ou de abrir pequenas fendas.
Fig. 7 – Efeito da Inércia sobre um edifício
18 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
5. Zonas de construção
Quando se constrói um edifício, é necessário ter em atenção a
zona onde este vai ser edificado. Uma escolha inadequada poderá
ter repercussões futuras, tanto a nível estrutural como monetário. É,
por isso, necessário respeitar um conjunto de fatores:
Geológicos - os terrenos de fundação e a zona sísmica do local onde
será edificada a estrutura são preponderantes para o facto de um
edifício ser ou não ser vulnerável à ação sísmica. Terrenos com
pouca capacidade de suportar um edifício são uma má escolha,
assim como construções em zonas de elevado risco sísmico. Para
além disto, a estabilidade e inclinação dos terrenos e a tendência
para inundações são outros fatores geológicos que têm um papel
importante;
Climáticos - os danos causados pelas chuvas, queda de granizo,
humidade e zonas ventosas devem ser tomados em conta para
minimizar os riscos. Em particular, numa situação de elevada
pluviosidade, a saturação dos terrenos com água poderá provocar a
instabilidade de vertentes e escarpas conduzindo a deslizamentos ou
escorregamentos de terras e desabamentos.
19 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
6. Alvenaria VS Betão Armado
Tanto a alvenaria como o betão armado estão associados a
épocas históricas bem distintas e permitem-nos compreender como
evoluiu a conceção estrutural de um edifício. No entanto, para
compreendermos melhor as vantagens e desvantagens da utilização
de alvenaria ou de betão armado, é importante, primeiramente,
conhecer cada um dos tipos de construção.
Alvenaria - é a construção de estruturas utilizando blocos,
pedras, tijolos ou até mesmo betão, unidos entre si por argamassa.
Betão armado - betão reforçado com varões de aço, grelhas,
fibras ou outros materiais inorgânicos ou orgânicos. A utilização de
varões de aço em betão de cimento, permite ultrapassar a sua baixa
resistência à tração, tornando este material muito resistente tanto a
esforços de tração como de compressão.
Como é possível perceber, as diferenças entre a alvenaria e o
betão armado são bastante relevantes. Mas, a utilização de cada um
destes elementos tem vantagens e desvantagens.
20 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Vantagens:
Alvenaria - as edificações em alvenaria levam pouco tempo a
ser construídas, os materiais são mais baratos e o tipo de construção
é bastante simples e económica.
Betão armado - as edificações em betão armado, são de fácil
manutenção e execução, fácil adaptação a outros edifícios, elevada
resistência a abalos sísmicos e longa durabilidade.
Desvantagens:
Alvenaria - a rápida degradação dos materiais, difícil
manutenção e a elevada vulnerabilidade sísmica são as grandes
desvantagens das edificações em alvenaria.
Betão armado – a lentidão das construções, difícil demolição
dos edifícios e o facto de ser bastante dispendioso são as
desvantagens mais relevantes da utilização do betão armado.
Ora, comparando as vantagens e desvantagens de cada um
dos tipos de construções, é possível perceber que a alvenaria,
embora mais económica, é mais vulnerável do que o betão armado
(que é mais dispendioso a nível económico). No entanto, é possível
perceber que tanto o betão armado como a alvenaria
complementam-se. Daí surge a alvenaria confinada e a alvenaria
armada, onde a alvenaria e o betão armado surgem em simultâneo
neste tipo de edificações. Para além disto, são soluções com
bastante sucesso a nível antissísmico.
21 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Fig. 8 - Exemplo de construção em alvenaria
Fig. 9 – Exemplo de construção
em betão armado
22 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
7. Exemplos de Sismos
7.1. Amatrice, Itália
A 24 de Agosto de 2016 ocorreu, em Itália, um sismo de
proporções bastante graves e que levou à morte de um número
elevado de pessoas (298). Este sismo, com epicentro na região
centro de Itália, numa zona que abrange as localidades de Accumolli,
L'aquila e Perugia, teve uma magnitude de aproximadamente 6.2 na
escala de Richter e teve repercussões tão graves e tantos edifícios
destruídos devido principalmente a uma controvérsia em torno do
desrespeito de uma lei italiana de 1974 que visava a construção e de
edifícios antissísmicos e renovação de outros, lei essa que continha
todas as técnicas necessárias para a execução de tais intervenções.
Após o sismo veio-se a descobrir que vários edifícios públicos que
foram renovados ou construídos após a implementação dessa lei,
não tinham características antissísmicas e varias famílias morreram
devido ao desabamento destas construções.
Fig. 10 – Antes e depois do sismo em Itália
23 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
7.2. Equador
A 16 de Abril de 2016 ocorreu, no Equador, um sismo com
magnitude de 7.8 na escala de Richter e com uma intensidade VIII
na escala de Mercalli. Este sismo teve epicentro a 27 km das cidades
Muisne e Pedernales e levou à morte de 673 pessoas tal como a um
elevadíssimo número de feridos. Este sismo sucedeu-se muito por
causa da localização tectónica do país. O Equador encontra-se numa
zona em que existe colisão entre a placa de Nazca e a placa sul-
americana, sendo por isso uma zona de atividade sísmica frequente.
Em resultado deste sismo, vários edifícios e habitações foram
destruídos devido à falta de preparação e de leis que fomentem a
utilização de técnicas durante a construção dos edifícios, que lhes
permitam suportar os efeitos destes fenómenos.
Fig. 11 – Destruição causada pelo sismo no Equador
24 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
7.3. Taiwan
A 6 de Fevereiro de 2016, ocorreu um sismo de magnitude de
6.4 na região a sul de Taiwan que levou à morte de 117 pessoas e
causou ferimentos a meio milhar de pessoas. Este sismo teve uma
intensidade de VII na escala de Mercalli, pelo que a maioria das
mortes resultantes deste sismo foi causada pela queda de edifícios,
em especial a queda de um edifício designado por. Este edifício foi
construído por uma empresa que foi responsabilizada e condenada
pela utilização de técnicas de construção que não se adequavam à
situação tectónica em que a província se encontra. De facto, o prédio
não possuía as características necessárias para resistir ao sismo,
pelo que o seu colapso foi determinante para a queda de outras
construções em torno deste, contribuindo assim para acentuar o
número de mortes e feridos neste evento sísmico.
Fig. 12 – Efeitos do sismo sobre o
edifício Wheigan Jinlong
25 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
Conclusão
Os sismos são, todos os anos, responsáveis pela perda de
muitas vidas humanas, devido principalmente à queda de edifícios ou
de outro tipo de estruturas. Para além disso, são também
responsáveis pelas enormes perdas económicas que os países, e a
população em geral, sofrem após ocorrem estes fenómenos. A
reconstrução das cidades após estes fenómenos pode levar anos ou
mesmo décadas, afetando assim a economia e o desenvolvimento
do país.
Com a realização deste trabalho, a nossa equipa chegou à
conclusão de que o desabamento de edifícios, durante o período de
atuação do sismo, acontece principalmente devido à falta de
comprometimento por parte dos responsáveis pela obra e devido à
falta de legislação que obrigue a utilização de técnicas ou materiais
com propriedades antissísmicas, que tornem as estruturas dos
edifícios resistentes a estes fenómenos. Pode também ocorrer,
devido à falta de estudos prévios que informem se o sítio ou o tipo de
construção planeada será eficiente.
É por isso importante, ocorrer uma sensibilização global para
este problema, de forma a surgirem soluções que permitam no futuro
uma minimização do número de mortes durante os sismos de maior
intensidade, contribuindo assim para um futuro melhor para as
próximas gerações e também para o desenvolvimento de tecnologias
nesta área.
26 FEUP, Porto, 2016 – Ação sísmica sobre os edifícios
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