INTRODUÇÃO

TEXTOS

1. ATITUDE DO ENGENHEIRO PERANTE A

NECESSIDADE DE UMA RECUPERAÇÃO

ESTRUTURAL

2. ESTRUTURAS DANIFICADAS:

SEGURANÇA E AÇÕES CORRETIVAS

TEXTO 1: ATITUDE DO ENGENHEIRO

PERANTE A NECESSIDADE DE UMA

RECUPERAÇÃO ESTRUTURAL

Atitude do engenheiro perante a necessidade de uma recuperação estrutural Francisco Paulo Graziano

1. INTRODUÇÃO A atividade de projeto e execução de recuperação de estruturas danificadas é diversa daquela orientada à execução de novas estruturas, devido a aspectos que dizem respeito às restrições impostas pela própria existência do elemento estrutural, objeto do reforço. São estas restrições do tipo: geométrico, mecânico e tecnológico que influirão de forma decisiva na solução da intervenção. Tendo em vista estas circunstâncias, determinadas atitudes já incorporadas à cultura do engenheiro, não habituado à atividade da recuperação estrutural, deverão ser revisadas de forma a não interferir negativamente no resultado do trabalho.

2. NORMALIZAÇÃO

Não existe até o momento uma normalização brasileira para o projeto e execução de uma recuperação estrutural. Nestas condições, a tendência de quem se depara com a necessidade de definir um reforço estrutural é a de adotar as normas de projeto e execução de estruturas (novas) como base e referência para procedimentos de dimensionamento e execução dos reforços. Tais atitudes podem resultar tanto em soluções excessivamente seguras, quanto inseguras.

3. ANÁLISE DE RISCO E SEGURANÇA Como se sabe, no estado atual do conhecimento, a segurança estrutural é abordada através do método semi-probabilístico, o qual procura estabelecer critérios de dimensionamento e verificação em situações denominadas de estados limites (ELU ou ELS), considerando sempre que possível a dispersão das grandezas que influem nas verificações estabelecidas. Assim, materiais que se caracterizam por uma distribuição de resistências mais dispersa serão objeto de coeficientes de minoração (γm) maiores, de forma a garantir uma requerida confiabilidade previamente convencionada e considerada pelo meio técnico como adequada. Como é de se esperar, estes coeficientes são também influenciados por fatores de difícil controle tais como: a qualidade da aplicação dos materiais, imprecisões geométricas de execução, qualidade e confiabilidade dos resultados de controle de qualidade em ensaios, etc... Numa estrutura já existente, diversos destes fatores são ou conhecidos ou factíveis de o serem, mudando, desta forma, a relação

de variáveis com incertezas e portanto alterando a relação de segurança. Da figura acima, que busca representar a distribuição de freqüências que caracteriza a resistência de um determinado material a um determinado tipo de solicitação, e a distribuição correspondente à solicitação em foco devida a uma certa ação ou combinação de ações. Definindo-se como margem de segurança (M) a diferença entre os valores médios das duas distribuições de freqüência, f(R) e f(S), é possível notar que para manter-se a probabilidade de ruína em níveis esperados (área sobreposta entre os dois diagramas), ao decrescer a dispersão de uma das variáveis, será necessário diminuir-se a margem (M) lançando-se mão de coeficientes de minoração menores, Portanto, na análise de estruturas sujeitas a recuperação se faz necessário conhecer-se melhor a dispersão das variáveis e estabelecerem-se novos coeficientes de ponderação mais adequados a cada situação.

4. ESTADO TENSIONAL DA ESTRUTURA NO MOMENTO DO REFORÇO. Como, em sua grande maioria as estruturas a serem reforçadas

encontram-se sob carga, o dimensionamento do reforço deve considerar as deformações iniciais dos materiais existentes, a fim de que estes materiais não entrem em colapso por excesso de deformação quando o material aplicado como reforço tiver atingido níveis adequados de desempenho.

γRγS

μR

R

0 μS

S

r, s

Cond. de Proj. Sd = Rd

Resistêcia Característica Rk

γS · Sk <= Rk/γR Condição típica de segurança :

Ação Característica Sk

Como exemplo poderíamos imaginar uma peça solicitada por compressão centrada e que tenha sido danificada. Supondo que a solicitação residual da seção crítica deste elemento desenvolva uma deformação de encurtamento de 0,15%, sabendo-se que o material entrará em colapso com 0,20% e sendo o material a ser utilizado como reforço de mesma natureza, este deverá desenvolver a resistência necessária para: (0,20-0,15)%, ou seja, 0,05%, muito abaixo dos 0,20% considerados como limites, ou seja, antes que o material existente entre em colapso.

TEXTO 2: ESTRUTURAS DANIFICADAS:

SEGURANÇA E AÇÕES CORRETIVAS

PEF2503

ESTRUTURAS DANIFICADAS: SEGURANÇA E AÇÕES CORRETIVAS

Carlos Eduardo Nigro Mazzilli

1. Introdução: reavaliação, reparo e reabilitação

Na literatura técnica sobre estruturas danificadas, em língua inglesa, com freqüência se refere à sigla R&R (repair and rehabilitation). Considera-se, entretanto, que o tema é muito mais amplo e requer uma abordagem integrada sobre três R’s, a saber, reavaliação, reparo e reabilitação de estruturas danificadas (R&R&R). A reavaliação de uma estrutura danificada pressupõe, além de inspeção à obra, quando aspectos visíveis de danos poderão ser comprovados, efetiva investigação diagnóstica das patologias mais prováveis. Ensaios de esclerometria, broqueamento, ultrassonografia poderão dar informações sobre propriedades mecânicas dos materiais. Ensaios de vibração livre ou forçada darão informações sobre modos e freqüências naturais de vibração da estrutura, os quais indiretamente poderão revelar deterioração da rigidez e localização do dano, mesmo quando este não puder ser identificado em inspeções visuais. Provas de carga permitirão reavaliar as condições operacionais ou limites de uma estrutura. Simulações com modelos matemáticos e computacionais devidamente calibrados por parâmetros obtidos dos ensaios poderão ser necessárias. Para tanto, muito contribuirá para a adequada modelagem o conhecimento da documentação original do projeto estrutural. A reavaliação inclui, portanto, as etapas de identificação de sistemas e retroanálise, as quais dependem de adequada monitoração, com instrumentos de medidas de aceleração, deslocamentos e deformações, e sistemas de aquisição e interpretação de sinais. Ao final desta etapa, espera-se conseguir um diagnóstico claro das patologias relevantes. Segue-se a proposta da terapia, ou seja, o estudo das ações corretivas cabíveis, designadas genericamente de reparo, que pode compreender desde uma simples renovação, quando se procura restituir a estrutura à situação de “inauguração”, até um efetivo reforço, quando se impõe uma melhoria das características de resistência e rigidez da estrutura. Quando se tratar de simples renovação, a questão freqüentemente se restringe a aspectos tecnológicos. Mesmo assim, cabe ao engenheiro de estruturas cuidar de aspectos relacionados à substituição de materiais (por exemplo, barras corroídas ou cortadas; concreto de má qualidade; etc) e elementos estruturais danificados, garantindo-se a integridade e comportamento conjunto adequado (ligações, emendas, ancoragem, etc). Entretanto, quando de se tratar de reforço, efetivamente, convém explicitar etapa

essencial da atuação do engenheiro de estruturas ⎯ trata-se do reprojeto. O reprojeto corresponde ao projeto do reforço ⎯ princípio ativo; projeto geométrico; escolha de materiais; modelos de dimensionamento; detalhamento e ligação com o restante da estrutura, de forma a garantir que o conjunto trabalhe solidariamente; método construtivo ⎯, considerando adequadamente os estados limites e a vida útil esperada para a estrutura, até mesmo para novas condições de utilização. Ao reprojeto, segue-se a execução, propriamente dita, do reparo, quando novamente se apresentam questões de cunho tecnológico. Quanto ao termo reabilitação, embora seja freqüentemente usado com várias conotações, está sendo aqui mencionado no sentido de “certificação de bom desempenho sob condições de utilização especificadas”, uma vez efetuada a recuperação de uma estrutura danificada. Ou seja, mediante tal certificação, a estrutura passa a ser considerada reabilitada. Em alguns casos, a solução do problema estrutural deve envolver a profilaxia dos fatores desencadeadores de patologias, o que significa redefinir condições de uso mais restritivas ou o projeto e instalação de sistemas de controle. É o caso, por exemplo, de sistemas de controle passivos (elementos dissipativos de contraventamento, tuned mass dampers, isoladores de vibração, elementos de conformação aerodinâmica, etc.) ou ativos (sistemas servo-hidráulicos acionados automaticamente, quando a resposta estrutural excede limites pré-definidos). Ensaios e novas provas de carga devem atestar que as intervenções realizadas tiveram êxito, antes que a obra e sua estrutura possam ser consideradas reabilitadas. No Brasil, onde o tema usualmente se tem restringido aos aspectos construtivos e tecnológicos implícitos no “R” de reparo, é ainda mais importante enfatizar o caráter da referida abordagem integrada. A presente disciplina, oferecida aos alunos de Engenharia Civil da Escola Politécnica da USP, propõe-se a introduzi-los aos procedimentos de análise e busca sistemática de solução para o restabelecimento das condições operacionais de estruturas danificadas, quando se justificar, satisfeitas as exigências de segurança. Justamente os aspectos específicos de tecnologia dos materiais não serão discutidos nessa disciplina, pois já estão contemplados em outras disciplinas optativas oferecidas aos alunos de Engenharia Civil. Cabe, aqui, um breve comentário sobre provas de carga, em geral. A definição do carregamento para a prova de carga deve considerar cuidadosamente aspectos de segurança, especialmente quando se tratar de estruturas danificadas. O critério de segurança, como usual, estabelece que a resistência de cálculo(Rd) deve ser não menor que a solicitação de cálculo (Sd). A resistência de cálculo é obtida dividindo-se a resistência característica inferior (Rk) por coeficiente de minoração (γm). A solicitação de cálculo (Sd) é a solicitação característica superior (Sk) multiplicada por coeficiente de majoração (γf). Os coeficientes de minoração levam em conta a variabilidade da resistência dos materiais, as diferenças de comportamento entre o corpo de prova e a estrutura, e desvios de construção e projeto que afetem a resistência. Nas condições usuais de projeto de pontes, por

exemplo, adota-se 1,50 para minorar a resistência do concreto e 1,15 para a do aço. Já os coeficientes de majoração consideram a variabilidade das ações, eventual simultaneidade de ações de distintas origens, e desvios de construção e projeto que afetem as solicitações. Nas condições usuais de projeto de pontes, por exemplo, adota-se 1,35 para majorar as cargas permanentes e 1,50 para as cargas variáveis. No caso de obras já construídas, e em particular danificadas, as imperfeições e danos devem ser considerados diretamente, uma vez que podem até ser medidos ou estimados, não havendo sentido em incluir seus efeitos nos coeficientes de ponderação. No que diz respeito às resistências, todas as suas variabilidades já se manifestaram na obra executada, bastando adotar margem de segurança mínima, para levar em conta a deterioração do material por envelhecimento. Quanto às ações variáveis, uma vez deduzida a influência das imperfeições construtivas sobre elas, o coeficiente de majoração a ser adotado pode ser 1,25. As cargas permanentes não precisam ser majoradas. Entretanto, deve-se prever uma margem de segurança para a prova de carga (recapeamento, acréscimo de cargas variáveis, etc), o que faz com que o trem tipo a ser usado na prova de carga seja, aproximadamente, o de projeto majorado de 10%. Voltando ao tema central, evidentemente, há danos estruturais que não decorrem propriamente de patologias, como os causados por acidentes (tais como explosões, choque mecânico e incêndio) ou por catástrofes naturais (tais como trombas d’água, debris flows, maremotos, terremotos, vulcanismo e ciclones). Nesses casos, freqüentemente, há destruição parcial ou total de elementos estruturais, que precisam ser reconstruídos para que a estrutura volte a ficar íntegra. Embora estejam compreendidas, rigorosamente, na temática da disciplina PEF2503, as estruturas danificadas por causas distintas de patologias estruturais não serão aqui discutidas de forma sistemática, até porque a carga horária da disciplina não o comporta. A ênfase da disciplina será nas estruturas que apresentam patologias e não naquelas que, anteriormente a um determinado evento excepcional, não as apresentavam. Naturalmente, diversos aspectos gerais, aqui discutidos e relacionados ao reparo e à reabilitação estrutural, poderão ser pertinentes no caso de estruturas acidentadas ou sinistradas. De certa forma, as estruturas portadoras de patologias representam um desafio maior, no sentido de que, antes da terapia e da profilaxia, é necessário fazer-se o diagnóstico. Por outro lado, há questões específicas e de extrema complexidade a serem aprofundadas para alguns tipos de acidente estrutural, como, aliás, fica bastante evidente no caso de incêndios e terremotos, o que justificaria disciplinas especializadas.

Danos causados por choque de veículos contra vigas de tabuleiros de pontes, decorrentes de desrespeito ao gabarito permitido

(fotos fornecidas por Fernando Stucchi)

Incêndio do Edifício Joelma (São Paulo) em 1974: 179 mortos e 300 feridos (extraído de http://www.geocities.com/corpobombeiros/joelma.htm )

(a) (b)

Incêndio do Aeroporto Santos Dumont (Rio de Janeiro) em 1998: (a) ruptura a 45o de pilar de concreto armado

(b) armadura exposta, destacada do núcleo em pilar danificado (extraído de http://civil.uprm.edu/RevistaDesastres/Vol1Num1/6Battista.pdf )

Terremoto de Kobe (Japão) em 1995: padrão freqüente de colapso de andares intermediários: descontinuidades de rigidez de pilares, deficiências estruturais

localizadas ou influência de modos de vibração mais altos, amplificando deslocamentos em andares intermediários

(extraído de http://www.eqe.com/publications/kobe/kobe.htm)

Destacamento de emendas por solda em armadura longitudinal de pilares da Wangan Expressway, no terremoto de 1995

(extraído de http://www.eqe.com/publications/kobe/kobe.htm)

Colapso estrutural na Hanshin Expressway, no terremoto de 1995 (extraído de http://www.eqe.com/publications/kobe/kobe.htm)

2. Sintomas e patologias Problemas estruturais são evidenciados por sintomas (efeitos!). É fundamental efetuar diagnósticos corretos, pois do contrário não se identificarão, entre as patologias (causas!), aquelas que são efetivamente pertinentes. Somente então se poderá discutir terapias ou profilaxias adequadas a cada caso. Partir diretamente da constatação de um sintoma para a adoção de uma terapia, pulando explicitamente a etapa do diagnóstico, corresponde muitas vezes a combater efeitos e não causas. Pode ser o mesmo que, perante uma doença grave ainda não diagnosticada, prescrever aspirina para mitigar a dor de cabeça que se apresenta como um sintoma mais perceptível. Assim, pode não bastar simplesmente restituir uma estrutura à sua conformação física anterior ao dano, se as verdadeiras causas que a levaram à deterioração não tiverem sido removidas. Entre os sintomas mais comuns de patologias estruturais, mencionam-se:

• flechas exageradas • fissuração generalizada • fissuração localizada, mas de grande abertura (fratura) • esmagamento do concreto • vibrações excessivas em condições de serviço • recalques de fundações, etc.

Entre as patologias estruturais mais comuns, mencionam-se as decorrentes de:

• concepção estrutural. O estudo de caso, a ser discutido na seqüência da disciplina, abordará um exemplo ilustrativo desta patologia estrutural, a saber, o problema freqüentemente encontrado em edifícios altos, com deficiências de contraventamento e falta de rigidez torcional, submetidos que são à ação do vento. Pode-se também mencionar, como exemplo, transições de pilares por meio de “consolos”, sem vigas.

• concepção e modelagem de ligações entre elementos estruturais.

A título de ilustração, cita-se a falta de rigidez local ou global em estruturas pré-fabricadas, levando a sistemas com baixa redundância estática ou com concentrações de tensão. O caso ilustrado abaixo, em que se mostram detalhes de projeto e fotos da obra, fornecidos por Martin Schwark, refere-se à ligação entre placas-parede esbeltas (vãos maiores que 7 metros) e pilares de grande rigidez pré-fabricados. Depois de concluída a obra, em decorrência de relações inadequadas de rigidez e resistência entre os elementos estruturais envolvidos ⎯ o que é uma patologia de concepção estrutural ⎯, carregamentos laterais (vento) provocaram grandes concentrações de tensão nas imediações das ligações, levando a ruínas localizadas.

Içamento e instalação das placas-parede

Aspecto geral da obra

• modelagem do comportamento reológico dos materiais que constituem a estrutura ou a fundação. É o caso, por exemplo, da inadequada consideração, ou mesmo desconsideração, do adensamento de espessas camadas de argila orgânica, levando a recalques e até ao afundamento de edifícios, como ocorrido na Baixada Santista.

Reverticalização de edifício de 17 andares em Santos (2,1m de off-set no topo) Fotos fornecidas por Carlos E.M. Maffei

• modelagem das ações. É o caso, por exemplo, da inadequada

consideração de ações decorrentes de vento e tráfego de veículos em pontes; inadequada consideração da excitação dinâmica causada por público em arquibancadas de estádios, etc. É bastante conhecido o problema das vibrações provocadas pelas coreografias de torcidas uniformizadas no Estádio do Morumbi. Nesse caso, optou-se pela instalação de sistemas dissipativos viscoelásticos de controle de vibrações, na tentativa de solucionar o problema.

• modelagem de não-linearidades de origem geométrica ou física. É o caso, por exemplo, de pilares esbeltos comprimidos por forças normais de grande intensidade, com imperfeições geométricas, nos quais pode se manifestar grande redução na carga crítica (sensibilidade a imperfeições).

• Vícios de detalhamento de elementos estruturais. Menciona-se aqui,

como exemplo, o detalhamento inadequado das armaduras, com ancoragens deficientes, emendas insuficientes, armaduras de pele ausentes, etc, causando fissuração excessiva.

Fissuração em peça de concreto armado

• vícios de construção. Freqüentemente, estas patologias têm origem na inobservância de especificações do método construtivo; na utilização de técnicas construtivas inadequadas ou materiais que não atendam aos requisitos especificados no projeto de resistência e durabilidade; na falta de proteção de materiais estruturais em meios quimicamente agressivos.

Patologias de construção: segregação do concreto

Patologias de construção: cobertura insuficiente da armadura, expondo-a a corrosão, com conseqüente expansão e destacamento do concreto

• mau uso da estrutura. A modificação do uso e reformas mutiladoras de estruturas freqüentemente introduzem patologias estruturais.

• ausência de manutenção.

Ponte sobre o Rio Casqueiro: Corrosão acelerada pelo ataque de cloretos, com algumas características de “pits” observados próximo às juntas da estrutura

(fotos fornecidas por Fernando Stucchi)

Estudos distintos têm mostrado uma grande dispersão nas distribuições percentuais das causas de patologias estruturais, conforme se pode observar na tabela anexa, extraída, em parte, de Souza & Ripper (Patologia, recuperação e reforço de estruturas de concreto, Pini, 2001). Em parte, tal dispersão decorre de critérios pouco uniformes na classificação feita por distintos pesquisadores, em distintos países, em distintas épocas. É necessário também ressaltar que algumas patologias têm causas em mais de uma categoria concomitantemente, o que pode fazer com que sejam classificadas de forma distinta, dependendo da ênfase que o pesquisador dá para uma particular causa. Em alguns estudos, a soma dos percentuais supera 100%, indicando que foram atribuídas concomitantemente diversas causas de patologias estruturais em alguns dos casos considerados. De qualquer forma, a menos de poucas referências que indicam uma incidência muito

menor de erros de projeto no confronto com os de execução (incluindo utilização de materiais inadequados), a grande maioria dos estudos mostra que ambas as causas são igualmente influentes, com percentuais próximos a 50%. As causas decorrentes de má utilização, ou seja, fora das condições especificadas em projeto ou, ainda, sem manutenção são responsáveis por mais de 10% dos casos!

causas dos problemas patológicos em estruturas de concreto

fonte de pesquisa

projeto materiais execução utilização 37 35 Matousek &

Schneider (1976) ⇐ +18 ⇒

10

Edward Grunau (apud Paulo

Helene, 1992)

44 18 28 10

D.E. Allen (Canadá, 1979)

55 ⇐ 49 ⇒

C.S.T.C. (Bélgica, apud Verçoza,

1991)

46 15 22 17

C.E.B. Bulletin 157 (1982)

50 ⇐ 49 ⇒ 10

F.A.A.P. (apud Verçoza, 1991)

18 6 52 24

B.R.E.A.S. (Reino Unido, 1972)

58 12 35 11

Bureau Securitas (Suíça, 1972)

⇐ 88 ⇒ 12

E.N.R. (U.S.A., 1968-1978)

9 6 75 10

S.I.A. (Suíça, 1979)

46 ⇐ 44 ⇒ 10

Dov Kaminetzky (U.S.A., 1991)

51 ⇐ 40 ⇒ 16

Jean Blévot (França, 1974)

35 ⇐ 65 ⇒

L.E.M.I.T. (Venezuela, 1965-

1975)

19 5 57 19

Distribuição % de causas das patologias