Utilização das Estruturas dos Elevadores para Reforço ... · Utilização das Estruturas dos Elevadores para Reforço Sísmico de Edifícios Antigos João Carlos Silva de Carvalho

Utilização das Estruturas dos Elevadores para Reforço Sísmico de Edifícios Antigos

João Carlos Silva de Carvalho

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Orientadores: Prof. Doutor António Manuel Candeias de Sousa Gago Prof. Doutor Jorge Miguel Silveira Filipe Mascarenhas Proença

Júri

Presidente: Prof. Doutor Luís Manuel Coelho Guerreiro

Orientador: Prof. Doutor António Manuel Candeias de Sousa Gago

Vogal: Prof. Doutor Mário Manuel Paisana dos Santos Lopes

Maio de 2015

ii

iii

Agradecimentos

Agradeço a todos os que me ajudaram de uma forma directa ou indirecta na realização desta

dissertação.

Ao meu orientador, Professor António Gago pela sua disponibilidade e apoio incansáveis na elaboração

deste trabalho. Agradeço todos os conhecimentos transmitidos e agradeço a oportunidade que me

prestou.

Ao Professor Jorge Proença pela motivação e pelos conhecimentos transmitidos.

Ao Engenheiro Ricardo Ferreira, pela sua imprescindível ajuda na realização do trabalho e pelos

ensinamentos teóricos e práticos. Agradeço também a sua disponibilidade e motivação para a realização

da presente dissertação.

Ao Engenheiro João Monteiro, por ter disponibilizado o material necessário à realização da dissertação.

Ao Engenheiro Pedro Guimarães da Enor Elevadores por me ter ajudado com informação relevante para

a compreensão dos sistemas de elevadores.

À GRUPNOR Elevadores por todo o apoio prestado, com especial agradecimento ao Engenheiro

Fernando Júnior.

À minha família por todo o seu esforço e apoio ao longo do meu percurso académico, imprescindíveis e

definitivos na oportunidade de chegar a este nível de formação. Por todo o seu amor demonstrado ao

longo de toda a minha vida, por todas as palavras de apreço em todos os momentos deste percurso e

por me orgulhar de tudo o que deles contribuiu para a pessoa que sou. Um especial agradecimento à

minha Avó por todo o apoio que me deu.

À Adriana pelo seu apoio e paciência. Por me dar forças ao longo do meu percurso académico.

Aos meus amigos e colegas. Com especial agradecimento ao Eddy, ao Garcia, ao Miguel, ao Vinagre,

ao André e ao Orlando.

iv

v

Resumo

A vulnerabilidade sísmica dos edifícios antigos é preocupante, sendo necessário soluções que

minimizem o impacto dos sismos nestes edifícios. Aliado à necessidade de acções que melhorem o

deficiente comportamento estrutural destes edifícios, a reabilitação dos centros históricos é um dos

principais desafios das cidades europeias como Lisboa.

Apesar da implementação de elevadores em edifícios antigos os valorizar economicamente, estes

edifícios não estão estruturalmente adaptados para receber um sistema elevatório, pelo que o uso de

estruturas autoportantes é muitas vezes considerado. A presente dissertação explora a oportunidade

deste tipo de estrutura de elevadores como reforço sísmico de edifícios antigos.

Estudou-se o funcionamento dos sistemas de elevadores e caracterizou-se as estruturas de elevadores

normalmente adoptadas na reabilitação de edifícios.

Criou-se um modelo computacional de um edifício de alvenaria, onde foram testadas 6 estruturas de

elevadores e avaliados os seus efeitos no comportamento sísmico do edifício. Os modelos

computacionais foram modelos tridimensionais de elementos finitos e a análise utilizada foi elástica

linear por espectro de resposta, com modelação do comportamento não linear através de um coeficiente

de comportamento.

Foi também estudada uma solução de reforço global de um edifício gaioleiro, constituída por uma

estrutura de suporte do elevador e reforço das paredes do saguão através de betão projectado.

Os melhores resultados correspondem à solução de estrutura metálica tridimensional, tendo-se

concluído que, em geral, a implementação de estruturas autoportantes não é suficiente para verificar a

segurança estrutural em relação à acção sísmica mas auxilia o comportamento global do edifício.

Palavras-chave:

Estruturas de elevadores; Reforço sísmico; Alvenaria; Edifícios antigos; Caixa de elevadores;

Reabilitação

vi

vii

Abstract

Old buildings’ vulnerability to seism is definitely a matter of concern. Therefore, solutions that minimize

the impact of seisms in these buildings are needed. Combined with the necessity of improving old

construction’ ineffective structural behaviour during seisms, the rehabilitation of historical centres is one

of the main challenges European cities like Lisbon face.

Despite the introduction of elevators in old buildings increases their economic value, they are not

structurally prepared to have a lift system, which frequently implies the use of self-supporting structures.

The present dissertation elaborates on the opportunity of using this type of elevator structures as seismic

reinforcement in old buildings.

Elevator systems operation was studied and the lift structures usually adopted in building retrofit were

characterized.

A computational model of a masonry building was created and six different lift structures were tested as

well as their effect on the seismic behaviour of the building. The computational models used were three-

dimensional finite elements and the analysis was linear elastic using a response spectrum. The non-

linear behaviour was modeled using a behaviour coefficient.

A solution involving a global reinforcement of an old-stone masonry building (“gaioleiro”) was also

studied. This solution comprises a lift structure and the interior walls strengthening using shotcrete.

From all models considered, the best results respect to the three-dimensional metallic structure. It was

possible to conclude that, generally, the implementation of self-supporting lift structures is insufficient to

ensure the structural safety in relation to the seismic action. However, it helps the global performance of

the building.

Key-words:

Elevator Structures; Lift structures; seismic reinforcement; old masonry buildings; lift shaft; building

retrofit.

viii

ix

Índice de Conteúdos

Agradecimentos ........................................................................................................................................... iii

Resumo ......................................................................................................................................................... v

Abstract ....................................................................................................................................................... vii

1. Introdução .............................................................................................................................................1

1.1. Motivação do estudo e enquadramento geral ...............................................................................1

1.2. Objectivos ......................................................................................................................................2

1.3. Estrutura e organização do trabalho .............................................................................................3

2. Sistemas de elevadores ........................................................................................................................5

2.1. Enquadramento histórico ..............................................................................................................5

2.2. Tipos de sistemas de elevadores..................................................................................................6

2.2.1. Elevadores hidráulicos ..........................................................................................................9

2.2.2. Elevadores eléctricos de tracção ....................................................................................... 12

2.2.3. Machine Room Less (MRL)- Sistema sem casa das máquinas ........................................ 17

2.2.4. Diferenças entre elevadores hidráulicos e eléctricos de tracção ....................................... 18

2.3. Legislação .................................................................................................................................. 23

2.4. Danos e mitigação sísmica ........................................................................................................ 24

2.4.1. Danos associados aos elevadores .................................................................................... 25

2.4.2. Mitigação sísmica ............................................................................................................... 27

3. Estruturas de elevadores para reabilitação de edifícios .................................................................... 29

3.1. Dificuldades na implementação de sistemas de elevadores em edifícios antigos .................... 29

3.2. Soluções correntes .................................................................................................................... 32

3.3. Acções desenvolvidas pelo sistema de elevadores................................................................... 35

4. Estruturas de elevadores como elementos de reforço sísmico de edifícios antigos ......................... 39

4.1. Generalidades ............................................................................................................................ 39

4.2. Edifícios antigos ......................................................................................................................... 40

4.3. Edifícios antigos- o caso do edifício gaioleiro ............................................................................ 42

4.3.1. Características arquitectónicas e estruturais ..................................................................... 43

4.3.2. Comportamento sísmico .................................................................................................... 45

4.4. Aspectos a considerar na concepção de estruturas de reforço sísmico ................................... 47

4.5. Concepção de estruturas de reforço sísmico ............................................................................ 49

x

4.5.1. Quadro resumo das estruturas de reforço analisadas ....................................................... 55

4.6. Estudo sísmico das propostas de estruturas de elevadores ..................................................... 56

4.6.1. Modelação do comportamento não linear .......................................................................... 56

4.6.2. Considerações gerais ........................................................................................................ 56

4.6.3. Edifício modelo ................................................................................................................... 59

4.6.4. EM1- Estrutura metálica 1 .................................................................................................. 64





4.6.9. EBA- Estrutura de betão armado ....................................................................................... 73

4.6.10. Comparação de resultados ................................................................................................ 74

4.6.11. Verificação de segurança ................................................................................................... 77

4.6.12. Facilidade de implementação ............................................................................................ 82

5. Estudo sísmico de um edifício gaioleiro reforçado ............................................................................ 83

5.1. Generalidades ............................................................................................................................ 84

5.2. Concepção dos elementos de reforço ....................................................................................... 86

5.3. Análise de resultados ................................................................................................................. 89

5.4.1. Comportamento modal ....................................................................................................... 89

5.4.2. Análise de deformações ..................................................................................................... 91

5.4.3. Análise de esforços e verificação de segurança ................................................................ 93

5.4. Discussão da solução de reforço ............................................................................................... 98

6. Considerações finais .......................................................................................................................... 99

6.1. Conclusões ................................................................................................................................. 99

6.2. Desenvolvimentos futuros ........................................................................................................ 102

6. Bibliografia ........................................................................................................................................ 104

xi

Lista de Figuras

Figura 1- Ilustração de um elevador antigo e demonstração do dispositivo de segurança de Elisha Otis (Chase, 1921) ...............................................................................................................................................5 Figura 2- Elevador a vácuo (101 Mobility) ....................................................................................................6 Figura 3- Arcada de cabine (Stanley Elevator company, Inc.) e guias metálicas (MM lift components)......7 Figura 4- Esquemas de fixações das guias (Thyssenkrupp) e (Palha, 2010) ..............................................7 Figura 5- a) Exemplos de roçadeiras (Wittur). b) Exemplo de rodadeira (Eslco) .........................................8 Figura 6- Sistema de porta automático (wittur) e manual (Cais do Olhar, Blog, 2010) ................................8 Figura 7- Classificação de sistemas de elevadores .....................................................................................9 Figura 8- Esquema do funcionamento hidráulico de um elevador (subida e descida), adaptado de (Harris) ................................................................................................................................................................... 10 Figura 9- Elevador Hidráulico convencional de acção directa, adaptado de (Federal Emergency Management Agency, 2011) ...................................................................................................................... 11 Figura 10- Elevador hidráulico de acção indirecta por cabos (Garaventa Lift) .......................................... 12 Figura 11- Elevador eléctrico de tracção (Federal Emergency Management Agency, 2011) ................... 13 Figura 12- a) Contrapesos. b) Guias do contrapeso. (Electrical knowhow) .............................................. 14 Figura 13- Cabos de aço de tracção: a) Cabo convencional e b) Cinta de aço. (Otis) ............................. 15 Figura 14- Motor geared e motor gearless (Thyssen Elevators) .............................................................. 15 Figura 15- Esquema representativo dos gornes: gornes em U, gornes em V e polia adaptado de (Heling, Perry, & Rhiner, 2009) ............................................................................................................................... 16 Figura 16- Suspensão directa e diferencial (Gomes C. , 2012)................................................................. 16 Figura 17- Tecnologia de MRL para elevadores eléctricos de tracção (Otis Elevators, 2011) e hidráulicos (Giges, 2012) ............................................................................................................................................. 17 Figura 18- Alturas operacionais consoante o sistema de elevador, adaptado de (Tetlow, 2007) ............. 18 Figura 19- Identificação das forças de inércia geradas num elevador durante um evento sísmico em sistemas de tracção e hidráulicos. (Celik F. , Elevator safety in seismic regions, 2005) .......................... 25 Figura 20- Esquema e foto do descarrilamento do contrapeso e da danificação da viga de distribuição de um elevador em Anchorage no sismo do Alasca em 1964 (National Academy of sciences, 1973) ......... 26 Figura 21- Rotura das ligações (Federal Emergency Management Agency, 2011).................................. 26 Figura 22- Flexão das guias e posterior descarrilamento do contrapeso (Federal Emergency Management Agency, 2011) ...................................................................................................................... 26 Figura 23 Danos na casa das máquinas provenientes da fraca ancoragem ao sistema estrutural do edifício (Federal Emergency Management Agency, 2011) ........................................................................ 27 Figura 24- Interruptor sísmico e sensor de descarrilamento do contrapeso (Palha, 2010) ...................... 28 Figura 25- Caixas de escadas de edifícios existentes ............................................................................... 30 Figura 26- Escadas não propicia à construção de um elevador- (Gomes R. , 2011)................................ 30 Figura 27- Caixa de escadas de um edifício do tipo placa (Monteiro B. , 2013) ....................................... 31 Figura 28- Diferentes tipos de estruturas de elevador. a) e b) Estrutura metálica (KLEEMANN LIFTS) (ENOR- Ascensores). c) Estrutura pré-fabricada de betão armado (THIEL Engenharia) ........................ 32 Figura 29- Elevador no interior da caixa de escadas de um edifício antigo do tipo “gaioleiro” ................. 33 Figura 30- Sistemas de contraventamento. a) Estrutura de um elevador hidráulico de cabos (Stannah). b) Contraventamento superior (Elevadores Lift Carga) c) Barras de contraventamento (S3i Group). d) Sistema de contraventamento (Vipalspa) .................................................................................................. 34 Figura 31- Estrutura elevador em betão armado num edifício do tipo gaioleiro ........................................ 34 Figura 32- Representação esquemática das forças devidas à carga nominal “Q” num elevador hidráulico de acção indirecta de cabos. A excentricidade “e” representa a distância entre as guias e a posição mais desfavorável de “Q”. Adaptado de (ENOR Ascensores , 2007) ................................................................ 37 Figura 33- Evolução dos processos construtivos correntes do edificado de Lisboa. Adaptado de (Cóias, 2007) .......................................................................................................................................................... 40 Figura 34- À esquerda: edifício pombalino (Lima). Ao centro: edifício gaioleiro. À direita: edifício de placa (Monteiro B. , 2013) ................................................................................................................................... 42 Figura 35- Planta tipo de um edifico gaioleiro e fotografia do saguão vista da cave. (Branco, 2007) ...... 43 Figura 36- Bomba de escadas preparada para elevador com porta e grade mas que não chegou a ser instalado (Gomes R. , 2011) ...................................................................................................................... 44 Figura 37- Mecanismos de rotura possíveis, linhas de rotura a vermelho. N- esforço normal. V- esforço de corte. (Sabatino & Rizzano, 2011) ........................................................................................................ 45 Figura 38- Efeitos da rigidez do plano no piso e das ligações entre paredes ((1) Modena, 2012) ........... 46 Figura 39- a) Esquema em planta do contraventamento horizontal (Modena, et al., 2009). b) Imagem de aplicação (Modena, Analisi e interventi strutturali su edifici in muratura secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni 2008, 2012). c) Esquema de fixação (Branco, 2007) ............................................................. 46

xii

Figura 40- Estrutura de reforço totalmente rígida. Reacções na estrutura de reforço .............................. 47 Figura 41- Avaliação do efeito da rigidez. Modelos de estruturas porticadas com diferentes estruturas de reforço. Deslocamentos devido à acção sísmica. Caso 1- Estrutura original. Caso 2- Estrutura com pórtico contraventado. Caso 3- Estrutura totalmente contraventada. (Lopes, 2009) ................................ 48 Figura 42- Efeito do aumento de resistência de um elemento em pórtico através da introdução de uma estrutura contraventada. Envolvente dos esforços de flexão. a) Situação sem reforço. b) Situação com reforço. (Lopes, 2009) ................................................................................................................................ 48 Figura 43- Esquemas da estrutura EM1- a) e b) Perspectiva; c) plano contraventado; d) plano não contraventado (plano das portas do elevador) .......................................................................................... 50 Figura 44- Tipos de estruturas em treliça e equilíbrio de cargas para a acção sísmica ........................... 50 Figura 45- Esquema tridimensional da Estrutura EM2 e planta esquemática da caixa de escadas ......... 52 Figura 46- Esquemas tridimensionais da EM3 .......................................................................................... 52 Figura 47- Corte transversal dos montantes da EM4 [mm] ....................................................................... 53 Figura 48- Esquema tridimensional da Estrutura EM 5 e planta esquemática da caixa de escadas ........ 54 Figura 49- Desenho da secção de betão armado e planta esquemática da caixa de escadas ................ 55 Figura 50- Espectro de resposta elástico das acelerações- direcção horizontal ...................................... 58 Figura 51- Modelação do edifício (esquema geral e piso tipo) e identificação dos alinhamentos das paredes para verificação de segurança ..................................................................................................... 60 Figura 52- Principais configurações modais .............................................................................................. 61 Figura 53- Piso superior do modelo- localização dos pontos/nós de análise ............................................ 62 Figura 54- Deformadas para o sismo do tipo 1. À esquerda: fachada principal (alinhamento 1). À direita: empena (alinhamento A). ........................................................................................................................... 62 Figura 55- Modelação da EM1 (representação esquemática) ................................................................... 64 Figura 56- Comparação de deslocamentos para as “Forças Laterais EC8” na direcção x. ...................... 65 Figura 57- Comparação de deslocamentos para as “Forças Laterais EC8” na direcção y ....................... 66 Figura 58- Deformadas da estrutura de reforço EM2- 1.50x1.50: a) direcção x, plano do elevador; b) direcção x, plano contraventado; c) direcção y, plano contraventado ....................................................... 67 Figura 59- Modelo de cálculo do plano das portas do elevador e gráfico dos deslocamentos em função da variação da dimensão das peças das travessas (para o nó central e para as “Forças Laterais EC8”) 68 Figura 60- Deslocamentos no nó 1 para a combinação modal sismo I, direcção x .................................. 70 Figura 61- Diagrama de comportamento axial dos montantes .................................................................. 70 Figura 62- Deslocamentos devido ao sismo do tipo I na direcção x (à esquerda) e direcção y (à direita) para a estrutura EM5 integrada no edifício modelo ................................................................................... 72 Figura 63- Frequências próprias dos principais modos de vibração ......................................................... 75 Figura 64- Forças de corte basal para as duas direcções principais ........................................................ 75 Figura 65- Distribuição do conjunto de “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes ao nível da base na direcção x ..................................................................................................................................... 76 Figura 66- Distribuição do conjunto de “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes ao nível da base na direcção y ..................................................................................................................................... 76 Figura 67- Comparação dos deslocamentos da prumada do Nó 2 (ver Figura 53) para as direcções principais da combinação modal para o sismo do tipo I ............................................................................ 77 Figura 68- Rácio entre a força de corte actuante e a resistente na parede da fachada principal, alinhamento 1 ............................................................................................................................................. 79 Figura 69- Rácio entre a força de corte actuante e a resistente na parede empena, alinhamento A ....... 79 Figura 70- Rácio entre a força de corte actuante e resistente na parede interior, alinhamento 4 ............ 80 Figura 71- Rácio entre a força de corte actuante e resistente na parede interior, alinhamento B ............ 80 Figura 72- Rácio máximo entre a força axial actuante e resistente das estruturas de reforço na direcção X ................................................................................................................................................................. 81 Figura 73- Rácio máximo entre a força axial actuante e resistente das estruturas de reforço na direcção Y ................................................................................................................................................................. 81 Figura 74- Localização do edifício em causa (Monteiro J. , 2012) ............................................................ 83 Figura 75- Planta do piso tipo e alinhamentos das paredes a analisar. As setas representam a orientação das vigas primárias do pavimento ............................................................................................................. 84 Figura 76- Perspectiva do edifício modelado e modelação da planta de um piso tipo. Localização dos eixos e pontos a estudar ............................................................................................................................ 86 Figura 77- Representação tridimensional da estrutura de reforço. a) Estrutura total. b) Estrutura interior. c) Estrutura exterior .................................................................................................................................... 87 Figura 78- Planta da estrutura de elevador adoptada. [m] ........................................................................ 88 Figura 79- Técnica de reforço de paredes de alvenaria através da projecção de betão. (Gonçalves, 2007) ................................................................................................................................................................... 89

xiii

Figura 80- Frequências dos principais modos de vibração consoante a fase de estudo .......................... 90 Figura 81- Espectro de resposta elástico (Sismo tipo I). Representação das acelerações dos primeiros modos de translação e torção .................................................................................................................... 91 Figura 82- Deformadas do Sismo do tipo I, direcção x. a) Edifício. b) Edifício + Elevador. c) Edifício + elevador + Saguão ..................................................................................................................................... 91 Figura 83- Deslocamentos da prumada do Nó 1 (esquerda) e do Nó 2 (direita) para o sismo do tipo I na direcção x ................................................................................................................................................... 92 Figura 84- Deformadas do Sismo I, direcção y. a) Edifício. b) Edifício + Elevador. c) Edifício + elevador + Saguão ....................................................................................................................................................... 92 Figura 85- Deslocamentos da prumada do Nó 1 (esquerda) e do Nó 2 (direita) para o sismo I na direcção y .................................................................................................................................................................. 93 Figura 86- Forças de corte basal para o sismo do tipo I [KN] ................................................................... 93 Figura 87- Forças actuantes “ ” na base das paredes exteriores e do saguão devido ao sismo do tipo I [KN]. Direcção do plano da parede. Esforços afectados pelo coeficiente de comportamento (q=1.50) . 95 Figura 88- Rácio entre a força actuante e resistente ao nível da base devidas ao sismo do tipo I para as paredes exteriores e do saguão ................................................................................................................ 95 Figura 89- Esforços na base das paredes interiores devido ao sismo I [KN]. Direcção do plano da parede. Esforços afectados pelo coeficiente de comportamento (q=1.50) ............................................... 96 Figura 90- Rácio entre a força actuante e resistente ao nível da base devidas ao sismo do tipo I para as paredes interiores ...................................................................................................................................... 96 Figura 91- Tensões axiais actuantes nas peças metálicas da estrutura dos elevadores para o sismo do tipo I ............................................................................................................................................................ 97

xiv

Lista de tabelas

Tabela 1- Combinações usuais e económicas entre velocidade e capacidade (Atlas Schindler) ............ 19

Tabela 2- Valores de área útil máxima e mínima de cabines para elevadores hidráulicos e eléctricos de

tracção. Adaptado de EN81 ....................................................................................................................... 20

Tabela 3- Valores obtidos comparando 3 tipos de sistemas de elevadores, ambos para um motor com

capacidade de carga de 1134Kg, adaptado de (Tetlow, 2007) ................................................................. 21

Tabela 4- Sistemas de segurança em elevadores (Palha, 2010) .............................................................. 22

Tabela 5- Normas ISO (International Organization for Standardization). (ISO) ........................................ 23

Tabela 6- Partes da norma EN81 (European Commisson) ....................................................................... 23

Tabela 7- Forças a considerar para o dimensionamento das guias, em função dos diversos casos de

carga. Adaptado de (CEN NP EN 81-1, 2000) e (CEN NP EN 81-2, 2000) .............................................. 36

Tabela 8- Número de edifícios por data de construção e localização (Instituto Nacional de Estatística,

2012) .......................................................................................................................................................... 41

Tabela 9- Variação das secções- dimensões das secções tubulares ....................................................... 51

Tabela 10- Dimensões dos perfis da EM 5 ................................................................................................ 54

Tabela 11- Identificação das estruturas a analisar. ................................................................................... 55

Tabela 12- Propriedades mecânicas da alvenaria (Branco, 2007) ........................................................... 57

Tabela 13- Principais modos de vibração do edifício modelo ................................................................... 61

Tabela 14- Forças de corte basal [KN] ...................................................................................................... 62

Tabela 15- Deslocamentos máximos para Sismo I [cm] ........................................................................... 62

Tabela 16- Determinação das “Forças Laterais EC8” ............................................................................... 63

Tabela 17- Comparação dos deslocamentos [cm] do Nó 1, obtidos pela análise por espectro de resposta

de 50 modos de vibração e pela análise estática das “Forças Laterais EC8” ........................................... 64

Tabela 18- Distribuição das “Forças Laterais EC8” pelas paredes interiores e exteriores ao nível da base

................................................................................................................................................................... 64

Tabela 19- Principais modos de vibração do edifício reforçado com a estrutura EM1 ............................. 65

Tabela 20- Comportamento modal e força de corte basal para diferentes espaçamentos dos montantes

da solução da EM2 introduzida no edifício. ............................................................................................... 66

Tabela 21- Distribuição das “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes do edifício reforçado com

a estrutura EM2 .......................................................................................................................................... 67

Tabela 22- Deslocamentos elásticos do edifício+EM2 para a combinação modal do sismo tipo I [cm] ... 68

Tabela 23- Comportamento modal e força de corte basal para diferentes espaçamentos entre montantes

da EM3 no edifício ..................................................................................................................................... 69

Tabela 24- Deslocamentos elásticos da EM3 + edifício modelo para a combinação modal do sismo tipo I

[cm] 6 ........................................................................................................................................................... 69

Tabela 25- Deslocamentos do nó 1 para as “Forças Laterais EC8” na estrutura EM4 integrada no edifício

modelo ........................................................................................................................................................ 71

Tabela 26- Principais modos de vibração da EM5 no edifício modelo ...................................................... 72

Tabela 27- Deslocamentos devido à combinação modal para o sismo tipo I para a estrutura EM5

integrada no edifício modelo [cm] .............................................................................................................. 73

xv

Tabela 28- Principais modos de vibração da estrutura EBA integrada no edifício modelo ....................... 73

Tabela 29- Deslocamentos devido à combinação modal para o sismo tipo I da EBA integrada no edifício

modelo [cm] ................................................................................................................................................ 74

Tabela 30- Verificação de segurança global para o edifício modelo ......................................................... 78

Tabela 31- Força de corte resistente para os alinhamentos de parede [KN] ............................................ 78

Tabela 32- Frequências [Hz] e identificações dos principais modos de vibração consoante a fase de

estudo ......................................................................................................................................................... 90

Tabela 33- Factores de participação da massa acumulados no modo 500 .............................................. 91

Tabela 34- Forças verticais “N” devido à combinação quase permanente para as forças para os casos

em análise [KN] .......................................................................................................................................... 94

xvi

Lista de abreviações

RCP Restantes Cargas Permanentes

SC Sobrecarga

mm Milímetros

m metros

Ton Toneladas

KN Quilo newtons

Hz Hertz

T Período

f Frequência

q Coeficiente de comportamento

Ui Participação modal na direcção i

Ri Participação modal em torno do eixo i

CEN European Committee for Standardization

EC Eurocódigo

EM i Estrutura metálica i

EBA Estrutura de betão armado

xvii

1

1. Introdução

1.1. Motivação do estudo e enquadramento geral

A herança patrimonial caracteriza um país, sendo por isso, uma enorme riqueza. Dada a importância

do património edificado, é necessário uma preocupação na sua conservação e no seu adequado

comportamento face aos fenómenos naturais. Em Portugal, devido à sua história, existe um elevado

número de edifícios antigos e que no presente momento necessitam de ser reabilitados e

melhorados estruturalmente.

Devido às mudanças de hábitos e ao avanço tecnológico, os edifícios antigos não se enquadram

com as necessidades das populações, pelo que têm de sofrer intervenções para que se actualizem.

Para cumprir com estas necessidades, os edifícios requerem determinados padrões de conforto e de

segurança.

As edificações antigas carecem de meios mais eficientes para a mobilidade vertical e para isso são

instalados elevadores. Como essas edificações, normalmente, não são concebidas para adoptarem

elevadores, muitas vezes recorre-se a estruturas autoportantes para suporte do elevador.

Actualmente, com a evolução tecnológica, o acesso a este sistema de transporte está muito mais

facilitado principalmente devido aos custos de aquisição e utilização, pelo que é comum ponderar o

uso de elevadores nesse tipo de edifícios.

Muitos comerciantes de elevadores disponibilizam soluções tecnologicamente modernas, capazes de

implementar um sistema de elevador em edifícios antigos. Esta operação muitas vezes é, justificada

como uma valorização imobiliária do edifício e ainda um meio de movimentação mais cómodo e

veloz.

Actualmente, a reabilitação de edifícios tem ganho um peso importante no mercado da construção,

especialmente em países europeus, pelo que a opção de considerar a estrutura de elevador como

meio de reforço estrutural do edifício pode tornar-se interessante.

Comumente à necessidade de mobilidade, os edifícios antigos necessitam de reforço sísmico devido

ao seu mau comportamento face a este evento. O presente trabalho explora a oportunidade da

instalação da estrutura de elevadores com o objectivo de utiliza-la para fins estruturais, tirando

partido da mesma para reforço sísmico dos edifícios antigos.

2

1.2. Objectivos

Este documento tem como principal objectivo o estudo de viabilidade da utilização das estruturas de

elevadores para reforço sísmico de edifícios antigos. Para enquadrar este estudo em situações

correntes, considerou-se como edifícios antigos os constituídos por paredes de alvenaria e

pavimento de madeira pois a vulnerabilidade sísmica deste sistema construtivo é mais significativa.

Numa primeira fase, para uma melhor compreensão e análise do tema em estudo, é realizada uma

breve abordagem sobre o funcionamento de elevadores, caracterizando os diversos tipos de

mecanismo consoante diversos factores. É também referido o comportamento de elevadores durante

um evento sísmico.

Pretende-se com o presente trabalho conhecer os principais tipos de estruturas de elevadores

aplicados na reabilitação de edifícios e estudar a possibilidade de uma solução corrente com o

objectivo de ajustar esta a um elemento de reforço.

Este estudo dá um maior enfase aos edifícios da cidade de Lisboa por ser uma cidade onde a acção

sísmica é considerável e a quantidade de edifícios antigos vulneráveis ao sismo é bastante

significativa.

Pretendeu-se estudar um edifício fictício que simula-se o comportamento dos edifícios antigos e para

isso foram pesquisados na literatura as propriedades e as tipologias destes edifícios. O modelo

estrutural realizado teve como principal objectivo conhecer o impacto de uma estrutura de elevador

no comportamento do edifício.

Quanto à fisionomia das estruturas de elevador, foram estudadas várias hipóteses, constituídas por

betão armado e/ou aço estrutural, sendo que cada hipótese foi testada no modelo estrutural

simplificado.

A avaliação do comportamento sísmico foi realizada através de uma análise elástica linear, modal,

tridimensional, por espectro de resposta, com o software de elementos finitos SAP2000 v.15

(Computers & Structures Inc, 2011). Com este estudo, procurou-se definir uma metodologia,

simplificada e prática, que permitisse extrair as conclusões mais importantes sobre a capacidade do

edifício.

Pretende-se também avaliar o desempenho das estruturas num modelo de um edifício mais completo

e realístico, tendo-se utilizado o modelo tridimensional de um edifício gaioleiro situado em Lisboa,

elaborado por João Monteiro em 2012. (Monteiro J. , 2012)

3

1.3. Estrutura e organização do trabalho

Esta dissertação divide-se em 6 capítulos conforme se descreve em seguida.

No presente capítulo enquadra-se o tema no contexto da engenharia civil, através da exposição dos

objectivos, da introdução e da relevância do estudo.

O segundo capítulo, intitulado de “Sistemas de elevadores”, dá-se a conhecer os principais tipos de

ascensores, expondo o funcionamento e características, consoante o tipo de sistema, hidráulico ou

eléctrico de tracção. Aborda-se os principais sistemas de segurança em situação de emergência e

desenvolve aspectos relativos ao comportamento de elevadores durante um evento sísmico. É dado

enfâse à legislação aplicável a estes sistemas.

O terceiro capítulo enquadra os sistemas de elevadores no âmbito da reabilitação e reconstrução de

edifícios, com especial enfâse nas estruturas que os suportam e permitem o funcionamento destes.

São referidas as principais dificuldades implementação de um sistema de elevadores num edifício

antigo e são abordadas as soluções mais usuais na instalação. Neste capítulo são ainda descritas as

metodologias de cálculo das estruturas de elevadores.

No 4º capítulo realiza-se a transição das estruturas de suporte de elevadores para estruturas de

elevadores na óptica do reforço sísmico. Numa primeira fase são estudados os edifícios antigos com

o objectivo de conhecer as vulnerabilidades estruturais, de modo a que se constitua um modelo

fictício que simule as características de edifícios antigos. Numa fase intermédia são estudados

aspectos de reforço de estruturas para dar suporte à concepção dos elementos de reforço.

Seguidamente, são testadas no modelo seis estruturas de reforço, sendo quatro dessas estruturas

metálicas, uma solução mista de aço e betão e outra de betão armado. Realizadas as análises,

comparam-se os resultados através dos deslocamentos, forças actuantes e resistentes nas paredes

e nos elementos de reforço. Nas análises realizadas foram comparadas as indicações dos

regulamentos europeus (Eurocódigos) e das normas Italianas (OPCM 3274. Por fim são discutidos

aspectos de implementação destas estruturas nos edifícios.

Nas análises em causa foi considerada a hipótese de piso rígido e ligações rígidas entre as paredes

resistentes do edifício.

No 5º capítulo efectua-se a análise a um edifício do tipo gaioleiro situado na Rua da Sociedade

Farmacêutica, em Lisboa, em que se estudou uma estrutura de elevador, em aço estrutural, com

função simultânea de reforço sísmico. Este reforço foi considerado em conjunto com o reforço em

betão projectado das paredes do saguão do edifício. Comparam-se os resultados das análises

estruturais através de um modelo estrutural tridimensional. No final foram, ainda, discutidos aspectos

relativos à adopção da hipótese de diafragma rígido e da ligação rígida entre paredes do edifício.

Por fim, no capítulo 6 (considerações finais), são enunciadas as principais conclusões da dissertação

e alguns aspectos que podem ser objecto de desenvolvimentos futuros.

4

5

2. Sistemas de elevadores

2.1. Enquadramento histórico

O elevador é o meio de transporte mais comum para mover pessoas ou cargas entre pisos de

edifícios. Desde a instalação do primeiro elevador de passageiros, os elevadores tornaram-se

omnipresentes em todo o Mundo, evoluindo a capacidade de carga e a rapidez de movimento. Sem

estes, os edifícios perdiam a eficiência que hoje possuem e a indústria da construção não seria tão

avançada.

Os primeiros elevadores remontam o seculo III AC, e eram manobrados por meios humanos, animal

ou por rodas d’água (Figura 1). Por volta de metade do seculo XIX foram introduzidos os primeiros

elevadores movidos por vapor de água. Esses elevadores destinavam-se principalmente a minas,

fábricas e armazéns. (Bellis).

Uma das inovações mais importantes no que diz respeito a elevadores registou-se em 1853, quando

um inventor americano, chamado Elisha Otis, demostrou num elevador de carga, um sistema de

travagem que se accionava quando a corda de suspensão deste se quebrava (Figura 1). Esta

inovação foi um marco histórico, pois gerou confiança à população para o uso de elevadores. Esse

mesmo senhor, no ano de 1861, criou uma empresa produtora de elevadores e patenteou um

sistema a vapor de água. (Bellis).

Anos mais tarde, após o aparecimento da primeira “grua hidráulica”, criada por William Armstrong,

em 1846, começaram a ser fabricados os primeiros elevadores hidráulicos, inicialmente, movidos a

água e, posteriormente, movidos a óleo (Bellis). Estes elevadores rapidamente se espalharam pelo

Mundo dominando o mercado na maioria dos edifícios de média e baixa altura (Celik & Korbahti,

2006).

Figura 1- Ilustração de um elevador antigo e demonstração do dispositivo de segurança de Elisha Otis (Chase, 1921)

6

O aparecimento do elevador eléctrico deu-se mais tarde, por volta do fim do século XIX, tendo sido

criado por, Werner von Siemens. A partir desse momento e até aos dias de hoje, muitos fabricantes

desenvolveram essa técnica e construíram elevadores eléctricos mais eficientes e capazes de atingir

maiores velocidades e maiores cargas. (Bellis).

Por volta dos anos 90 do seculo XX, apareceu uma nova tecnologia denominada por sistema MRL,

“machine room less”, que é definido em português por “ sistema sem casa das máquinas”. Este

sistema baseia-se no mesmo princípio dos elevadores eléctricos a tracção mas ocupando um espaço

bastante reduzido. Esta tecnologia está e vai continuar a dominar os mercados nos próximos tempos.

(Glas).

Com o avanço tecnológico, novas soluções serão criadas e desenvolvidas, como por exemplo o caso

do elevador a vácuo (Figura 2), instalado no ano 2000 na Argentina (Axess 2 Ltd).

2.2. Tipos de sistemas de elevadores

As principais componentes de um elevador são: a cabine do elevador (que transporta os passageiros

ou a mercadoria), a caixa do elevador (que é o espaço do edifício destinado à circulação do

elevador), as guias da cabine (que permitem corrigir a direcção do movimento da cabine do

elevador), um eventual “poço do elevador” (que se situa subjacente à caixa), uma eventual casa das

máquinas, o sistema de portas e o sistema de mecânico de elevação (onde se engloba a maioria dos

componentes eléctricos e mecânicos).

Figura 2- Elevador a vácuo (101 Mobility)

7

A Cabine é o espaço físico destinado aos objectos ou pessoas que o elevador vai movimentar e é

normalmente, assente numa plataforma metálica constituída por peças metálicas, soldadas ou

aparafusadas. Também pode existir um aro ou arcada metálica (Figura 3), envolvendo parte da

cabine, para conferir uma rigidez e robustez à mesma e para suportar as forças transferidas pelo

sistema de elevação. A interacção da arcada com a plataforma da cabina pode ser realizada com um

isolador de vibrações, para que a viagem seja mais comoda para passageiros ou mercadorias

(Stanley Elevator company, Inc.).

A cabine, por sua vez, desliza nas guias que normalmente são constituídas por perfis em forma de

“T” dispostos verticalmente e fixos à parede da caixa através de meios de fixação (Figura 4). Na

Figura 3 é possível observar o formato do perfil das guias, os meios de fixação e a arcada da cabine.

Figura 3- Arcada de cabine (Stanley Elevator company, Inc.) e guias metálicas (MM lift components)

Figura 4- Esquemas de fixações das guias (Thyssenkrupp) e (Palha, 2010)

8

O movimento da cabine nas guias e de um eventual contrapeso é realizado com recurso a

dispositivos de deslizamento (Figura 5). Os dispositivos mais utilizados são as roçadeiras “sliding

guide shoe”, para uma velocidade inferior a 3 m/s, ou as rodadeiras “rolling guide shoes” para

velocidades de 3 m/s a 12 m/s. Uma roçadeira é uma peça metálica que contém um material plástico

com baixo coeficiente de atrito por onde se movimenta pela guia. Uma rodadeira é um sistema

metálico com vários rodados de borracha para envolver a guia e com molas helicoidais para forçar a

correcta posição da cabine ou do contrapeso. Este último dispositivo é mais adaptado para edifícios

de maior altura. Estes acessórios necessitam de lubrificantes para que o deslizamento seja mais

suave daí precisarem de uma manutenção mais cuidada. (Palha, 2010).

O sistema de portas do elevador pode ser manual ou automático (Figura 6). No caso de ser

automático, a cabine e as aberturas da caixa são dotadas de um sistema eléctrico com polias que

fazem deslizar as portas por um carril. O uso de portas automáticas domina o mercado por serem

tecnologicamente evoluídas e sofisticadas. Existe uma gama elevada de produtos (McQuay, 2011) e

a legislação Portuguesa exige este tipo de portas para elevadores novos.

Figura 6- Sistema de porta automático (wittur) e manual (Cais do Olhar, Blog, 2010)

Figura 5- a) Exemplos de roçadeiras (Wittur). b) Exemplo de rodadeira (Eslco)

a) b)

9

No mercado, existem dois tipos de sistemas de elevação para edifícios, os sistemas de elevadores

de tração e hidráulicos. Esta distinção faz-se através dos meios mecânicos/eléctricos de elevação.

Importa classificar os elevadores quanto ao seu sistema elevatório, pois esse sistema influência as

características do elevador e o espaço destinado ao mesmo. O diagrama da Figura 7 representa os

tipos de elevadores mais utilizados em edifícios.

2.2.1. Elevadores hidráulicos

Um elevador hidráulico é um elevador que se move através de um circuito hidráulico, onde um fluido,

(correntemente óleo), é comprimido e expandido através de um motor rotativo, fazendo mover um

pistão na direcção vertical. Este mecanismo baseia-se no princípio de Pascal que estabelece que a

pressão exercida num ponto de um fluido incompressível confinado é transmitida igualmente em

todas as direcções do fluido, de tal modo que a diferença de pressões permanece constante

(Bloomfield, 2008).

O sistema hidráulico de um elevador caracteriza-se, basicamente, pelas seguintes componentes:

pistão, cilindro, fluído hidráulico, reservatório, bomba rotativa, válvula e painel de controlo eléctrico. O

elevador ocupa o poço, a caixa do elevador e ainda a casa de máquinas (Federal Emergency

Management Agency, 2011).

Na Figura 8 apresentam-se os dois tipos de circulação do fluido num sistema hidráulico básico, para

o sentido ascendente e descendente da cabine. Este esquema representa o funcionamento simples

do mecanismo de elevadores hidráulicos, existindo muitas mais variantes de funcionamento,

sofisticadas e complexas.

Sistema de Elevadores

Hidráulicos

Acção Directa

Acção Indirecta

Tracção

Gearless

Geared

Figura 7- Classificação de sistemas de elevadores

10

O primeiro esquema da figura simboliza o movimento ascendente da cabine, onde o motor rotativo

aumenta a pressão do fluido, fazendo este exercer uma pressão elevada no cilindro para mover o

pistão, assim o óleo circula do reservatório para o cilindro. Note-se que a válvula de controlo está

fechada nesta fase, impedindo assim a circulação inversa do fluido.

No esquema da Figura 8, a válvula de controlo está totalmente aberta, deixando o fluido circular até

ao reservatório, nesta fase o motor não necessita de trabalhar, pois o peso próprio da cabine e da

carga adjacente é suficiente para a cabine descer. Isto apenas acontece para sistemas básicos como

o apresentado. Em sistemas mais sofisticados, a válvula de controlo é controlada por um painel

eléctrico que acciona e controla a abertura da válvula consoante a proximidade da cabine aos pisos,

a velocidade da cabine, o peso da cabine, entre outros tornando o sistema mais eficiente. (Harris)

A casa das máquinas é destinada ao painel de controlo, à bomba rotativa e à válvula de controlo e

pode ser anexado ao poço de elevador ou pode localizar-se até cerca de 9 metros do poço para

contornar problemas de inundações.

O sistema hidráulico pode ser de pistão telescópico para obter maiores alturas, no entanto, caso a

altura não seja significativa ou por razões adversas o sistema hidráulico pode conter um pistão de um

único troço. Consoante a localização do pistão em relação à cabine, o sistema é classificado de

acção directa ou acção indirecta.

Legenda: 1-Cabine 2-Pistão 3-Tanque de fluido 4-Válvula 5-Motor rotativo 6-Cilindro

5

Figura 8- Esquema do funcionamento hidráulico de um elevador (subida e descida), adaptado de (Harris)

1

2

4

1

4

5

3 3

2

6 6

Descida Subida

11

Acção directa

Os elevadores hidráulicos de acção directa (Figura 9) são elevadores que compreendem o pistão na

parte inferior da cabine. O cilindro pertencente à unidade hidráulica pode ser localizado no interior do

terreno, sendo denominado por sistema “convencional” ou In-Ground. Caso contrário, o sistema é

designado por “sem furo” ou Holeless (Palha, 2010).

No caso do cilindro In-Ground é necessário um bom revestimento dos elementos enterrados, de

modo a que não existam problemas de corrosão e de fugas de óleo para o terreno. Como este

elemento está invisível torna-se difícil a sua inspecção, aumentando assim o risco de danos. (Palha,

2010). Correntemente são utilizados revestimentos de PVC.

Acção indirecta

Nos elevadores hidráulicos de acção indirecta (Figura 10), o pistão do sistema hidráulico não é

conectado directamente à cabine, estando ligado a um sistema que suspende a cabine através de

cabos. A maioria dos fabricantes de elevadores nomeia este tipo de elevador por plataforma.

Figura 9- Elevador Hidráulico convencional de acção directa, adaptado de (Federal Emergency Management Agency, 2011)

Porta exterior

Pistão

Guia da cabine

Sistema de portas

Tanque de fluido

Meios de fixação das guias

Válvula

Meios de fixação do

tanque

Cilindro In-Ground

Amortecedor

12

Neste modelo de elevador o cilindro situa-se nas laterais da cabine, não sendo necessário a

cravação no interior do solo, o que permite atingir maiores alturas. Este modelo, permite também, a

utilização de dois sistemas hidráulicos para aumentar a capacidade de carga do elevador. Caso a

suspensão da cabine seja realizada por intermédio de cabos, o sistema é designado por elevador

hidráulico de cabos.

2.2.2. Elevadores eléctricos de tracção

Os elevadores eléctricos de tracção (Figura 11) são caracterizados por usarem energia eléctrica e

gravítica para mover a cabine e o contrapeso por meio de cabos traccionados. As principais

componentes do sistema eléctrico de tracção são: sistema de cabos; contrapeso; guias do

contrapeso e cabine e respectivos acessórios; motor eléctrico, polia e sistema eléctrico; dispositivos

de segurança.

Figura 10- Elevador hidráulico de acção indirecta por cabos (Garaventa Lift)

Painel eléctrico e tanque

Sistema de cabos e polia

Pistão

Guias

Plataforma da cabine

13

O contrapeso (Figura 12 a)) é constituído, normalmente, por blocos de betão ou ferro fundido

envolvidos numa armação metálica semelhante à arcada metálica da cabine. O peso total desses

blocos é normalmente dimensionado para um valor igual ao peso da cabine, mais 40% a 50% da

carga máxima admissível (Atlas Schindler). Os blocos são empilhados e restringidos por meios

metálicos, constituindo uma massa suficiente pesada para contrabalançar as cargas da cabine,

reduzindo o esforço mecânico do motor. Assim como no caso da cabine, o contrapeso também tem

de possuir um sistema de guias para conferir a posição e não afectar o funcionamento do elevador.

Figura 11- Elevador eléctrico de tracção (Federal Emergency Management Agency, 2011)

Porta exterior

Amortecedor da cabine

Cabo de compensação

Amortecedor do contrapeso

Guia do contrapeso

Contrapeso

Limitador de velocidade

Rodadeira do contrapeso

Cabo de comando

Pára-quedas

Casa das máquinas

Guia da cabine

Rodadeira da cabine


Máquina de tracção

Sistema de controlo

Meios de fixação

Cabos de tracção

Sistema de abertura de portas

14

As guias do contrapeso (são idênticas às guias das cabines, mas necessitam de mais rigidez, pois as

forças sísmicas associadas a esta massa podem causar o descarrilamento do contrapeso. (Federal

Emergency Management Agency, 2011).

Este tipo de elevadores, convencionalmente, acopla quatro tipos de cabos (Palha, 2010):

Cabos de tracção- Suportam as forças verticais impostas pelo sistema de elevação

entre a cabine e o contrapeso, passando pela unidade motora. Correntemente

utiliza-se um mínimo de três cabos, pois, por precaução, são adoptados mais do que

o necessitado. São constituídos por fios de aço envolvidos de forma helicoidal.

Actualmente, existe a tendência para trocar este tipo de cabos por cintas de aço

revestidas a poliuretano (Figura 13 b)),

Cabos de comando- permitem as ligações electrónicas entre os comandos da

cabine e o painel de controlo eléctrico,

Cabo ou corrente de compensação- permite equilibrar o contrapeso com a cabine de

modo a que exista menos vibrações e esforço mecânico,

Cabo limitador de velocidade- tem por objectivo o accionamento da frenagem caso o

elevador ultrapasse a velocidade limite;

Guia da cabine

Guia do contrapeso

Figura 12- a) Contrapesos. b) Guias do contrapeso. (Electrical knowhow)

Fixação à estrutura

a) b)

15

O sistema de elevação é constituído por um motor eléctrico rotativo e um sistema de polia. Este

mecanismo pode apresentar duas variantes (Figura 14), o sistema geared, que apresenta uma caixa

de engrenagens onde se faz a passagem do movimento do motor para a polia e um outro sistema

denominado por gearless em que a rotação do motor é transmitida directamente para a polia de

tracção. As características dos motores dependem dos fabricantes, variando a capacidade de carga

e a velocidade que estes podem atingir. O sistema gearless atinge velocidades superiores a 2.5 m/s

e é adoptado geralmente para edifícios altos e com elevada capacidade de carga. Também

proporciona uma viagem mais suavizada e mais silenciosa. O sistema geard, atinge velocidades

inferiores ao sistema gearless e é mais indicado para edifícios de menor altura (Palha, 2010) e

(Tetlow, 2007).

A polia é dotada de ranhuras próprias em V ou U, isto para que os cabos de tracção adiram de modo

a que o motor consiga movimentar a cabine e o contrapeso. Este tipo de ranhuras é denominado por

gornes e o seu formato possibilita um menor esforço no motor. No caso de existirem cintas de aço, o

material plástico é responsável pela aderência da polia ao cabo. Na Figura 15 é possível observar a

configuração dos gornes e da polia.

a)

Figura 13- Cabos de aço de tracção: a) Cabo convencional e b) Cinta de aço. (Otis)

b)

a)

Figura 14- Motor geared e motor gearless (Thyssen Elevators)

Polia

b)

16

A suspensão do sistema cabine-contrapeso pode ser directa ou diferencial, consoante o modo de

como o sistema de cabos de tracção se movimentam através das polias existentes. Na Figura 16 é

possível observar os diferentes modos de suspensão.

A principal diferença destas soluções é que o motor, no caso de suspensão diferencial, tem um

esforço menor comparado com o caso do sistema de cabine-contrapeso, pois o peso da cabine e do

contrapeso é equilibrado pelos apoios fixos. Note que as duas polias da cabine podem estar sob a

cabine, exercendo um esforço menor na arcada da cabine.

Figura 16- Suspensão directa e diferencial (Gomes C. , 2012)

Figura 15- Esquema representativo dos gornes: gornes em U, gornes em V e polia adaptado de (Heling, Perry, & Rhiner, 2009)

Polia

17

2.2.3. Machine Room Less (MRL)- Sistema sem casa das máquinas

A tecnologia MRL (sistema sem casa das maquinas) resulta dos avanços tecnológicos que

originaram uma redução significativa de espaço nos elevadores eléctricos de tracção e nos

elevadores hidráulicos (Figura 17). Esta tecnologia é adaptada a edifícios de baixa e média altura.

(Tetlow, 2007) e (Glas).

A introdução da tecnologia “motor síncrono magnético permanente”, por volta de 1996 permitiu a

redução de tamanho e peso relativamente aos motores convencionais de tracção. A tecnologia MRL

possibilita, ainda, a diminuição dos controlos eléctricos, originando uma maior compactação e

aproveitamento do espaço (Kone Elevators, 2014).

Hoje em dia, minimizar o impacto ambiental é um factor determinante para a indústria e a utilização

de elevadores MRL diminui significativamente a pegada ecológica, através da poupança de energia e

da substituição dos óleos prejudiciais dos elevadores hidráulicos (Tetlow, 2007).

Figura 17- Tecnologia de MRL para elevadores eléctricos de tracção (Otis Elevators, 2011) e hidráulicos (Giges, 2012)

18

2.2.4. Diferenças entre elevadores hidráulicos e eléctricos de tracção

A escolha do tipo de elevador para edifícios depende de muitos factores e do objectivo pretendido.

Tais factores podem depender da localização do edifício, das propriedades físicas do edifício, das

condicionantes arquitectónicas e estruturais e, ainda, do orçamento disponível para a aquisição e

manutenção do elevador.

Actualmente, a maioria dos produtores de elevadores disponibilizam soluções do tipo hidráulico e de

tracção e as respectivas soluções MRL. A actual tendência para soluções de construção e

reabilitação de edifícios de média e baixa altura focam-se na nova tecnologia MRL, geralmente para

motores de tracção. Num artigo de Dr. Ferhat Çelik & Dr. Banu Korbahti expunha que, em 2004, a

percentagem de instalações de elevadores do tipo MRL de tracção na Europa era em média cerca de

60%, e que existia uma tendência clara para a instalação deste tipo de elevadores.

Um dos factores para a decisão do sistema a implementar em elevadores é a altura do edifício. Em

geral, os elevadores hidráulicos são mais adaptados para edifícios de baixa e média altura, enquanto

os de tracção tem uma gama de alturas mais abrangentes. Através do gráfico da Figura 18 é

possível observar a gama de alturas a que os diversos tipos de elevadores podem operar. Pode-se

concluir que os elevadores hidráulicos operam para baixas alturas enquanto que os de tracção para

alturas maiores.

A capacidade de carga dos elevadores pode ser condicionante na escolha do mecanismo. Este

factor difere bastante consoante o tipo de edifício. Correntemente faz-se a distinção entre elevadores

de mercadorias e elevadores de passageiros. A capacidade de carga máxima, no caso dos

elevadores hidráulicos, varia conforme a capacidade e o número de hidráulicos instalados no

sistema. Não há dados exactos sobre a carga máxima que um hidráulico pode exercer, pois existe

uma grande gama de valores, dependente do fabricante. No caso dos elevadores eléctricos de

tracção, a capacidade também não é bem definida, dependendo muito do fabricante e do objectivo

pretendido para o elevador.

Hid

ráu

lico

s

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Holeless

Roped

In-ground

Gearless MRL

Geared

Gearless

Altura de viagem [m]

Tra

cçã

o

Figura 18- Alturas operacionais consoante o sistema de elevador, adaptado de (Tetlow, 2007)

19

As características básicas que definem um elevador de passageiros são a velocidade nominal e a

lotação da cabina. Definindo estas variáveis é possível optar por um sistema mecânico de elevação

(Atlas Schindler). Correntemente, a capacidade máxima do elevador é expressa em número de

pessoas e o peso médio de uma pessoa é considerado como 75Kg. (CEN NP EN 81-1, 2000) e

(CEN NP EN 81-2, 2000).

As velocidades de andamento variam para cada tipo de elevador e com o fluxo de tráfego de

pessoas ou mercadorias. Normalmente, para edifícios altos regulares, a velocidade é uma condição

determinante, pelo que a utilização do sistema tradicional de tracção gearless é, em geral, uma boa

escolha, pois permite velocidades até 15.6 m/s. O sistema geared atinge velocidades até 2.3 m/s, o

que torna esta solução menos adequada. (Tetlow, 2007).

Os elevadores hidráulicos caracterizam-se por baixas velocidades associadas que, normalmente não

ultrapassam os 0.76 m/s. Esta afirmação é uma das principais desvantagens em relação a este

sistema, por outro lado, existe uma forte concorrência a este sistema que é o sistema de tracção

MRL que normalmente trabalha com velocidades até 3 m/s. (Tetlow, 2007).

Muitos fabricantes de elevadores utilizam uma relação entre capacidade de carga e velocidade de

operação com o objectivo de economizar o sistema de elevação. A título de exemplo é exposto na

Tabela 1 as combinações usuais entre velocidade e capacidade de um fabricante.

Tabela 1- Combinações usuais e económicas entre velocidade e capacidade (Atlas Schindler)

As dimensões da cabine e das restantes partes dos elevadores são, também, importantes na escolha

da solução. A norma EN 81 (Tabela 2) define valores limites de áreas úteis máxima e mínima

consoante a carga nominal e o número de passageiros. Por área útil entende-se “Área da cabina,

medida a um metro acima do pavimento, sem contar com os eventuais corrimãos e barras de apoio,

utilizável pelos passageiros e cargas durante o funcionamento do ascensor” e carga nominal

entende-se “Carga para o qual o aparelho foi fabricado”. A referida norma exige uma altura mínima

livre de 2 m no interior da cabine e no acesso à mesma. (CEN NP EN 81-1, 2000) e (CEN NP EN 81-

2, 2000).

20

Tabela 2- Valores de área útil máxima e mínima de cabines para elevadores hidráulicos e eléctricos de tracção. Adaptado de EN81

Carga nominal [kg]

Área útil Máxima da cabina [m²]

Número de passageiros

Área útil mínima da cabina [m²]

180 0.58 2 0.49

300 0.90 3 0.60

400 1.17 4 0.79

600 1.60 5 0.98

800 2.00 6 1.17

1000 2.40 8 1.45

1200 2.80 10 1.73

1500 3.40 15 2.43

Um dos factores relevantes na implementação de elevadores é o espaço ocupado pelo elevador no

edifício. Primeiramente, coloca-se a questão da necessidade ou não do contrapeso, isto porque a

sua existência exige espaço. Neste aspecto, os elevadores hidráulicos necessitam de menos espaço,

pois as caixas podem ser mais compactas.

Os elevadores de tracção exigem espaço em cima da caixa para a instalação das unidades motoras

e das polias. Este facto pode ser condicionante a nível arquitectónico. A nível estrutural, também,

pode ser condicionante, pois as forças de reacção do conjunto cabine e contrapeso são transmitidas

directamente à estrutura do último piso. Quanto aos sistemas hidráulicos, as forças transmitidas

pelos elevadores são dirigidas directamente às fundações dos edifícios dando mais liberdade

estrutural ao projectista.

A localização da casa das máquinas em elevadores de tracção é sempre por cima da caixa,

enquanto que nos elevadores hidráulicos a casa das máquinas, (onde é incorporado o sistema do

reservatório), possui uma maior flexibilidade na localização. Os avanços tecnológicos

proporcionaram a não presença de uma casa das máquinas, através dos modelos MRL, o que é uma

vantagem na utilização do espaço do edifício e no caso dos elevadores de tracção uma poupança a

nível de energia (Tetlow, 2007).

O motor síncrono magnético permanente do sistema MRL de tracção possibilita, segundo Karin

Tetlow, uma maior eficiência comparado com os motores convencionais de tracção, (97% ou mais

comparado com 65%), usando cerca de 30% a 40% da energia comparado com os motores

hidráulicos e de tracção. Na Tabela 3 apresenta-se um quadro de comparação de propriedades

motoras de vários elevadores para a mesma capacidade de carga, segundo o autor referido neste

parágrafo. Dos resultados apresentados, conclui-se que os elevadores de tracção MRL são mais

silenciosos e claramente mais eficientes.

21

Tabela 3- Valores obtidos comparando 3 tipos de sistemas de elevadores, ambos para um motor com capacidade de carga de 1134Kg, adaptado de (Tetlow, 2007)

Parâmetros Elevador Hidráulico

Elevador eléctrico de tracção (geared)

Elevador eléctrico de tracção MRL

(gearless)

Velocidade (m/s) 0.76 1.02 0.76 a 2.54

Potência do motor (hp) 40 22 8

Corrente nominal (A) 57 58 12

Corrente inicial (A) 114 105 14

Óleo necessário (l) 302.83 15.14 0

Controlo do nível de ruído (dB)

70-80 65-70 50-55

Segundo Ferhat Çelik & Dr. Banu Korbahti, o custo de funcionamento de um elevador é

consideravelmente menor do que o custo de manutenção do mesmo. Para estes autores, um

elevador hidráulico é mais económico, pois este tipo de sistema possui um número menor de

componentes, exigindo uma menor manutenção. Por outro lado, as peças deste tipo de elevador

também são menos onerosas, devido ao simples funcionamento e à presença no mercado ao longo

de muitos anos. Estes autores afirmam, também, que o sistema MRL de tracção está sob controlo

dos fabricantes devido às patentes dos modelos, o que leva a custos de aquisição e manutenção

elevados. O mesmo artigo também defende que os fluidos biodegradáveis resistentes ao fogo são

alternativos ao óleo convencional utilizado pelos elevadores hidráulicos, o que permite contornar as

problemáticas do meio ambiente. (Celik & Korbahti, 2006) e (Celik F. e.).

O processo de instalação de um elevador é importante ao nível da facilidade de execução e da

segurança. A instalação de motores em altura, no caso dos elevadores de tracção, origina sempre

uma maior dificuldade de transporte e montagem, aumentando assim os custos da instalação. A

instalação de elevadores hidráulicos é, geralmente, mais económica e com maior rapidez de

montagem. Isto deve-se ao facto de existir menos componentes para instalar e a construção ser feita

a um nível próximo do solo.

Os elevadores possuem sistemas de segurança para reduzir danos associados aos vários problemas

que possam ocorrer. Na Tabela 4, expõem-se os dispositivos de segurança normalmente presentes

nos elevadores.

22

Tabela 4- Sistemas de segurança em elevadores (Palha, 2010)

Dispositivo de segurança

Definição Elevador de

tracção Elevador Hidráulico

Pára-Quedas

Garra metálica localizada na cabine (e opcionalmente no contrapeso), que se fixa às guias de forma instantânea ou progressiva, resultando na paragem do elevador. Este dispositivo não requer energia eléctrica.

X X


Composto por duas polias (uma, na casa de máquinas, alinhada verticalmente com outra localizada no fundo do poço), cabo de aço ligado à cabine e interruptor. Caso o elevador ultrapasse a velocidade limite pré-estabelecida, o limitador activa o pára-quedas e desliga a parte eléctrica do motor simultaneamente, conduzindo assim à paragem do elevador.

X X*

Limites de percurso

Os interruptores de limite final constituem sensores electromagnéticos localizados nos fins de curso superior e inferior, sendo responsáveis por interromper o funcionamento do elevador sempre que este exceder a posição dos mesmos.

X X

Interruptor de afrouxamento de

cabos

Corta o fornecimento de energia eléctrica ao motor e acciona o pára-quedas quando pelo menos um dos cabos de tracção perde tensão relativamente aos restantes.

X X*

Válvula de rotura

Localizada no ponto de entrada e saída do fluido do cilindro. Interrompe o circuito hidráulico, com consequente imobilização do elevador, quando ocorre uma variação brusca de pressão no interior do cilindro correspondente à descida repentina da cabine, geralmente devido a uma fuga na tubagem hidráulica. No caso de elevadores com dois pistões laterais a válvula é instalada de forma equidistante, sendo a sua interligação realizada por meio de tubagens.

X

Amortecedor

Caso os dispositivos de segurança acima referidos falhem, existe ainda um conjunto de amortecedores instalados no poço, para a cabine e o contrapeso, os quais absorvem parte do impacto, prevenindo o choque directo destes componentes com o fundo da caixa.

X X

*-apenas obrigatório em sistemas hidráulicos de cabo

23

2.3. Legislação

Existem diversas normas que são necessário cumprir para a correcta fabricação, instalação e

utilização dos elevadores. Essa regulamentação deve ser seguida pelos fabricantes e projectistas de

edifícios.

A Organização Internacional de Normalização criou regras gerais, com o objectivo de regular a

fabricação dos elevadores e das suas componentes. A título de exemplo, são representadas as

principais normas desta organização.

Tabela 5- Normas ISO (International Organization for Standardization). (ISO)

Norma Descrição

ISO 4190 Instalação de elevadores

ISO/TS 22559 Requisitos de segurança para elevadores

ISO/TR 11071 Comparação de padrões de segurança a nível mundial de

elevadores

ISO 4101 Especificações para cabos de aço de elevadores

ISO 22201 Elevadores, escadas e passadeiras rolantes- sistemas

electrónicos programáveis em aplicações relacionadas com a segurança

Existem Directivas do Parlamento Europeu e do Conselho Europeu que estabelecem os objectivos

gerais que os sistemas de elevação devem de obdecer nos países da União Europeia e normas

europeias que posteriormente são vinculadas para normas nacionais.

A norma EN 81 ”Regras de segurança para o fabrico e instalação de elevadores” é a principal norma

respeitante a elevadores e foi definida no âmbito da directiva 95/16/CE, do Parlamento Europeu e do

Conselho Europeu, de 29 de Junho de 1995 (reformulada pela directiva 2006/42/CE). Com o

objectivo da aproximação das legislações dos Estados-Membros, essa norma está dividida em várias

partes (Tabela 6). Note-se, que de acordo com a regulamentação, o termo ascensor é destinado aos

elevadores de transporte de pessoas.

Tabela 6- Partes da norma EN81 (European Commisson)

Norma Parte Descrição da parte

EN 81-1:1998 1 Ascensores eléctricos

EN 81-2:1998 2 Ascensores hidráulicos

EN 81-28:2003 28 Alarme remoto para elevadores e monta-cargas

EN 81-58:2003 58 Portas de patamar de ascensores - ensaios de

resistência ao fogo

EN 81-70:2003 70 Acessibilidade dos ascensores a pessoas, incluindo

pessoas com deficiência

EN 81-71:2005+A1:2006

71 Ascensores resistentes ao vandalismo

EN 81-72:2003 72 Ascensores para bombeiros

EN 81-73:2005 73 Comportamento dos ascensores em caso de incêndio

EN 81-77:2013 77 Ascensores sujeitos a condições sísmicas

24

A parte 77 da norma EN81 é referente à construção de elevadores em zonas sísmicas, esta norma

estabelece:

Os principais riscos associados ao sismo;

Os requisitos de segurança e medidas de protecção relativamente às diversas componentes

dos elevadores;

O comportamento sísmico de diversas componentes dos elevadores;

A classificação dos sistemas de elevadores em função da aceleração de dimensionamento

sísmico;

A quantificação das acções sísmicas;

A verificação de segurança de componentes do elevador, com especial atenção às guias;

Exemplos de cálculo da aceleração de dimensionamento.

Existem outras normas europeias relativas a componentes de elevadores. No entanto estas normas

são específicas da parte mecânica dos sistemas dos elevadores, pelo que não merecem referência

no presente texto.

A implementação de um sistema elevatório tem de satisfazer os regulamentos nacionais:

Decreto de lei nº163 de 2006: que define as regras de acessibilidades nos edifícios.

Estabelece quando é necessário a instalação de um ascensor, as disposições geométricas e

outros;

Decreto de lei nº320 de 2002: que estabelece as disposições aplicáveis à manutenção e

inspecção de ascensores, monta-cargas, escadas mecânicas e tapetes rolantes;

Decreto de lei nº220 de 2008: que estabelece o regime jurídico da segurança contra

incêndios em edifícios e remete para a Portaria n.º 1532/2008. Esta Portaria define regras de

protecção de incêndio de ascensores tais como o isolamento da casa das máquinas,

indicadores de segurança, disposições de segurança e outros;

Decreto de lei nº176 de 2008: que estabelece a directiva Europeia 2006/42/CE e actualiza o

decreto de lei 295 de 2008 que estabelecia a directiva Europeia 95/16/CE.

2.4. Danos e mitigação sísmica

Os sistemas de elevadores são componentes não estruturais em edifícios, mas são

afectados pelos sismos e podem causar perdas humanas e materiais. Por isso, estes sistemas

necessitam de estar preparados para responderem de forma segura a uma acção sísmica. Nesta

secção faz-se uma retrospectiva de danos em eventos sísmicos e abordar-se-á as respectivas

medidas de mitigação.

O sismo do Alasca nos Estados Unidos da América, em 1964 foi um dos maiores registados

na América do Norte. A partir dos relatórios de danos, desenvolveram-se estudos estruturais e foi a

com este sismo que os fabricantes de elevadores ficaram conscientes dos problemas dos elevadores

solicitados por sismos. Através de um levantamento de danos pela “National Research Council”, foi

25

possível registar que os elevadores da cidade de Anchorage, a 120 km do epicentro, sofreram graves

danos. Foram analisados 100 elevadores, dos quais metade eram hidráulicos e outra metade

eléctricos de tracção, e chegou-se à conclusão que os sistemas eléctricos de tracção exibiam mais

dano. (National Academy of sciences, 1973).

Outros registos de danos provocados por sismos em elevadores, mostraram também que os

estragos em sistemas de tracção são, em geral, maiores que os danos em sistemas hidráulicos. Isto

deve-se ao facto da massa estar mais localizada em altura nos sistemas de tracção, o que é

agravado pela presença da massa concentrada do contrapeso, que não existe nos sistemas

hidráulicos inerentes (Figura 19). Também é de notar que os elevadores hidráulicos são mais

adaptados a edifícios de pequeno porte, em que os efeitos das acções sísmicas são de menor

amplitude. (Palha, 2010) e (Celik F. , Elevator safety in seismic regions, 2005).

2.4.1. Danos associados aos elevadores

O contrapeso é o elemento com mais problemas em caso de ocorrência dum sismo e um dos

danos mais graves observados é o seu descarrilamento das guias. O descarrilamento pode-se dar

das seguintes formas: pela deformação/rotura do sistema de guias (Figura 22); pela rotura das

fixações, causando folgas no confinamento do sistema de contrapeso; por deformações/rotura dos

sistemas de deslizamentos (rodadeiras e roçadeiras). Com o descarrilamento do contrapeso, o

elevador não tem possibilidades de funcionar e pode dar-se os seguintes problemas (Palha, 2010):

Suspensão do contrapeso na caixa, ficando assim à deriva na caixa;

Choque com a cabine, danificando a própria cabine e podendo causar danos nos

passageiros ou na mercadoria transportada;

Choque com elementos da caixa, nomeadamente, paredes, vigas ou mesmo portas

de acesso (Figura 20);

Emaranhamento de cabos.

Figura 19- Identificação das forças de inércia geradas num elevador durante um evento sísmico em sistemas de tracção e hidráulicos. (Celik F. , Elevator safety in

seismic regions, 2005)

26

Os meios de fixação das guias e até da própria estrutura do elevador podem não conseguir suportar

os movimentos impostos pelo sismo e posteriormente colapsar (Figura 22).

Figura 20- Esquema e foto do descarrilamento do contrapeso e da danificação da viga de distribuição de um elevador em Anchorage no sismo do Alasca em 1964 (National Academy of sciences, 1973)

Figura 22- Flexão das guias e posterior descarrilamento do contrapeso (Federal Emergency Management Agency, 2011)

Figura 21- Rotura das ligações (Federal Emergency Management Agency, 2011)

27

Um outro dano que pode ocorrer é queda de detritos, reboco ou fragmentos de cimento da caixa do

elevador ou da casa das máquinas, podendo causar perturbações no sistema elevatório e até nas

portas. O colapso da estrutura da casa das máquinas é uma situação de risco, pois pode levar ao

desabamento das máquinas de tração e ao colapso do sistema por completo (Figura 23).

Por outro lado, devido ao sismo, os cabos dos elevadores de tração podem desacoplar-se dos

gornes, causando a rotura dos cabos ainda acoplados.

Nos elevadores hidráulicos, os danos surgem no pistão e no cilindro, podendo dar-se a flexão dos

mesmos devido aos deslocamentos horizontais. Esses danos resultaram na perda da capacidade de

elevação, o que pode causar o encurralamento dos passageiros. Nalguns casos verifica-se que o

tanque do fluido pode derrubar e resultar num derrame de fluido.

2.4.2. Mitigação sísmica

Para reduzir os impactos em sistemas de elevadores devidos ao sismo, é necessário tomar

precauções para que estes possam continuar a funcionar. Essas medidas de mitigação são de

especial interesse em hospitais e noutros edifícios, como em quarteis de bombeiros e outros.

Segundo (Federal Emergency Management Agency, 2011), todas as componentes dos elevadores

têm de ser restringidas, ancoradas ou têm de possuir capacidade para se acomodarem aos

movimentos produzidos pelos sismos. Um dano numa componente do sistema pode causar a

paragem do funcionamento do elevador. Exige, também, que todos os elevadores sejam

inspeccionados por um técnico qualificado após um evento sísmico. (Federal Emergency

Management Agency, 2011).

Segundo Palha (2010), o sistema do contrapeso é o elemento mais gravoso no âmbito do

dimensionamento sísmico dos elevadores, devido à sua elevada massa, e à forma como esta é

distribuída. O comportamento do sistema de guias depende dos seguintes aspectos:

Características dinâmicas da estrutura do edifício, uma vez que as vibrações induzidas pela

acção sísmica ao edifício transmitem-se ao elevador através das fixações das guias às

paredes das caixa;

Figura 23 Danos na casa das máquinas provenientes da fraca ancoragem ao sistema estrutural do edifício (Federal Emergency Management Agency, 2011)

28

Posição da cabine/contrapeso, os quais afectam as características dinâmicas do elevador.

O sistema de guias tem de possuir um bom comportamento face ao sismo para que o contrapeso

não descarrile e não cause problemas no sistema. Para analisar esta componente é necessário

realizar a verificação de segurança usando um modelo de cálculo adequado. A nível Europeu, a

norma EN 81-77:2013 indica algumas metodologias de cálculo destas componentes.

Os dispositivos de deslizamento da cabine e do contrapeso, ou seja, as rodadeiras e as roçadeiras

devem ser suficiente rígidas e ter um bom comportamento face as acções sísmicas, de modo a

posicionar correctamente a cabine e o contrapeso.

Alguns fabricantes de elevadores comercializam um dispositivo, denominado por interruptor sísmico

(Figura 24), que possuí um sensor que capta as acelerações causadas pelas primeiras ondas

sísmicas (ondas P). Ao ser activado, o elevador assede ao piso mais próximo, os passageiros saem

e o sistema fica desactivado. Este dispositivo permite que o elevador antecipe a chegada das ondas

mais destrutivas do sismo (ondas S). (Palha, 2010).

O detector de descarrilamento (Figura 24) também pode ser considerado como uma medida de

mitigação. Este dispositivo faz com que o sistema de elevação seja interrompido assim que o

contrapeso saia da posição correcta. O dispositivo é composto por dois cabos verticais, com corrente

eléctrica. Assim que exista perturbações, a corrente desses cabos é desligada, gerando um sinal que

posteriormente faz parar o sistema. Existem no mercado outros sistemas de detecção de

descarrilamento do contrapeso, sendo importante a existência destes tipos de dispositivos no caso

de ocorrência de um sismo.

Figura 24- Interruptor sísmico e sensor de descarrilamento do contrapeso (Palha, 2010)

29

3. Estruturas de elevadores para reabilitação de edifícios

Na implementação de um elevador num edifício, é necessário a existência de um espaço livre onde

este possa circular. A esse espaço dá-se o nome de caixa de elevador. Segundo a norma EN 81, é

necessário proteger o espaço interior da caixa para que possa ser assegurado o bom funcionamento

do elevador e assegurar a protecção de pessoas e bens materiais.

Em edifícios recentes, de estrutura com betão armado, é normal tirar proveito da caixa de elevadores

para fins estruturais, e este elemento é, em geral, o elemento mais robusto do edifício. Em alguns

casos a caixa pode ser apenas responsável pelo suporte do elevador, recebendo somente as acções

provenientes do seu funcionamento e fornecendo as condições necessárias para o bom

funcionamento deste.

Existem diversas terminologias para a designação de caixa de elevadores. No presente documento é

utilizada a designação de “estrutura de elevador”. A justificação desta adopção reside no facto desta

estrutura ter como principal função o suporte de solicitações causadas pelo elevador.

No presente capítulo explora-se a utilização destas estruturas em edifícios antigos discutindo-se os

seus aspectos gerais e dando enfase às estruturas disponíveis no mercado.

3.1. Dificuldades na implementação de sistemas de elevadores em edifícios

antigos

A integração de elevadores em edifícios antigos é por vezes complexa e pode envolver sérias

dificuldades. Muitos dos edifícios antigos não foram projectados para receber estes sistemas de

elevação, e utilizam-se estruturas capazes de suportar e transmitir às suas fundações todas as

acções desenvolvidas pelos mesmos. A concepção destas estruturas, designadas por estruturas

autoportantes, passa pela avaliação das condições existentes nos edifícios, que são necessárias à

sua instalação e funcionamento.

Uma das principais condicionantes na instalação de sistemas de elevadores em edifícios antigos é o

espaço necessário para o seu funcionamento, tanto a nível de circulação da cabine, como também

para os equipamentos. A nível tecnológico, os fabricantes disponibilizam actualmente, sistemas de

elevadores de tamanho reduzidos, como por exemplo, o sistema MRL para elevadores de tracção e

hidráulicos (ver capitulo 2). Para reduzir ainda mais este espaço, é possível utilizar acessórios e

componentes de tamanho reduzido como é o caso das cintas de aço dos elevadores de tracção.

O espaço necessário para a instalação do elevador, depende do tipo de elevador e

concomitantemente do fabricante. Por exemplo, a estrutura de um elevador eléctrico de tracção tem

de integrar o espaço destinado ao sistema do contrapeso, enquanto que a estrutura para um

elevador hidráulico de acção indirecta tem de envolver o espaço necessário para o sistema do

hidráulico.

30

Relativamente ao edifício, este tem de possuir um espaço livre para a instalação da caixa. Esse

espaço pode ser no interior ou no exterior do edifício. É comum em edifícios antigos instalar o

elevador na caixa de escadas já existente, tirando partido do espaço livre que possa existir. No

entanto, em muitos casos é necessário restruturar as escadas, ou mesmo algumas paredes, para o

efeito. Uma outra opção, é a instalação pelo exterior, não causando perturbações no espaço interior.

Esta solução é muitas vezes utilizada em edifícios com espaço externo disponível e possíveis

acessos acima do piso térreo.

Na Figura 25, é possível identificar duas caixas de escadas propícias à instalação dum elevador.

Ambas as fotos são de edifícios da cidade de Lisboa, sendo o da primeira imagem do tipo gaioleiro e

o da segunda do tipo pombalino. Na Figura 26, ilustra-se uma situação de um edifício onde, para a

implementação do elevador, será necessário a modificação das escadas e eventualmente do

patamar. Na Figura 27 está, também, representado um edifício do tipo placa com espaço livre para a

caixa de elevadores.

Figura 25- Caixas de escadas de edifícios existentes

Figura 26- Escadas não propicia à construção de um elevador- (Gomes R. , 2011)

31

A nível regulamentar, é necessário ter atenção às dimensões da cabine e das escadas (largura dos

patamares de acesso das pessoas). Em alguns casos, é praticamente impossível a instalação de

elevadores por não ser possível cumprir as regras de acessibilidades sem o recurso a grandes

intervenções. O Decreto de Lei das acessibilidades (DL-163/2006), exige para os ascensores novos,

determinadas regras de espaço para as cabines, mas na norma, indicam-se excepções para essas

exigências. Por exemplo, em edifícios antigos não há condicionantes nas dimensões das cabines e

dos equipamentos de elevação quando as obras necessárias ao cumprimento dessas são

desproporcionadamente difíceis de executar ou exigem meios económico-financeiros muito elevados

ou não disponíveis. Uma outra justificação pode ser a afectação do edifício ao património histórico e

cultural. Por outro lado a mesma norma exige que as portas dos elevadores sejam automáticas, o

que coloca dificuldades na angariação de espaço. Para solucionar esta condição existem fabricantes

que disponibilizam portas de abertura compacta (Figura 32).

Em edifícios antigos é normal encontrar sistemas estruturais degradados e nessas condições, a

instalação de um elevador pode contribuir negativamente para a estabilidade do edifício. Como

referido, na maioria dos casos, são utilizadas estruturas autoportantes, capazes de absorver

autonomamente os esforços gerados pelos sistemas de elevadores, tanto verticais como horizontais.

A altura de alcance do elevador poderá, também, ser uma dificuldade na concepção da estrutura,

visto que para uma maior altura, a estrutura tem de comportar mais esforços e de possuir maior

rigidez, resultando numa estrutura robusta que ocupa mais espaço. Para reduzir esse impacto,

muitas vezes são realizadas ligações à estrutura existente, estabelecendo uma relação estrutural

entre as duas estruturas.

O processo construtivo da estrutura do elevador deve ser simples e correntemente escolhem-se

estruturas de fácil montagem e de rápida concretização. A dificuldade na execução das fundações no

interior dos edifícios é, também, um factor que condiciona a concepção da estrutura.

Figura 27- Caixa de escadas de um edifício do tipo placa (Monteiro B. , 2013)

32

3.2. Soluções correntes

Para cumprir as condicionantes referidas, existem no mercado diversas estruturas capazes de serem

utilizadas em edifícios a reabilitar. Estas soluções são dependentes do tipo de elevador e da

empresa fabricante e algumas empresas produtoras destas estruturas estão directamente ligadas

aos fabricantes de elevadores.

As soluções de reabilitação que mais se destacam são as estruturas metálicas, muito ligeiras e

resultam em sistemas estruturais, com impacto reduzido os edifícios. Na Figura 28 estão

representadas duas estruturas deste tipo e pode-se constatar a elevada esbelteza das peças

metálicas utilizadas.

São utilizadas, também, estruturas em betão armado, mas em menor escala, devido à necessidade

de meios e espaço para a sua realização. Normalmente as estruturas com recurso a betão armado

só são utilizadas em reabilitações globais do edifício em que as escadas e a caixa de escadas são

bastante modificadas. A pré-fabricação de elementos de betão armado (ver Figura 28) pode ser uma

alternativa interessante, mas a dificuldade no transporte pode limitar a adopção desta solução.

As estruturas metálicas para estruturas de elevadores, são realizadas em três tipos de materiais: em

aço, normalmente realizadas com perfis comerciais; em aço galvanizado enformado a frio; e em

alumínio.

Figura 28- Diferentes tipos de estruturas de elevador. a) e b) Estrutura metálica (KLEEMANN LIFTS) (ENOR- Ascensores). c) Estrutura pré-fabricada de betão armado (THIEL Engenharia)

a) b) c)

33

As estruturas em aço são realizadas por peças lineares, em pórtico, podendo ser ou não

contraventado. Os perfis são fixos a uma base de betão armado, com boas condições de rigidez.

Para além dos perfis estruturais, o elevador necessita de ser protegido, conforme a legislação em

vigor. Essa protecção é formada através de vidros, ou através de chapas metálicas dispostas nas

faces da estrutura (Figura 29).

A definição geométrica da estrutura metálica, nomeadamente a posição das travessas, é

condicionada pelo vão livre de fixação das guias que, por sua vez, é calculado tendo em conta a

resistência e os deslocamentos máximos nas guias nas várias situações de funcionamento.

A Figura 29 representa uma estrutura metálica de perfis comerciais em que todas as ligações foram

soldadas. A ligação entre peças metálicas pode ser por aparafusamento, para facilitar a realização

das ligações em obra. No edifício ilustrado na Figura 29, foi possível conservar a escadaria e apenas

se seccionou os corrimãos na zona do patamar de escadas.

A ligação da estrutura ao edifício depende do caso, podendo ser uma ligação estrutural, em que a

estrutura do elevador suporta acções impostas pelo edifício ou, caso contrário em que o edifico

colabora com a estrutura do elevador, sendo possível reduzir a dimensão da mesma. Estas ligações

são, em geral, convencionais e dependem do material da laje de piso ou das escadas. Normalmente,

estas ligações só restringem deslocamentos transversais, para que a estrutura de elevadores não

receba acções verticais do edifício.

Para resistir aos movimentos laterais exercidos pelo elevador, através de possíveis excentricidades

da cabine em relação ao mecanismo de elevação, alguns projectistas optam por sistemas de

contraventamento para que a estrutura do elevador fique mais estável. Na Figura 30, é possível

observar alguns sistemas de contraventamento em estruturas.

Montante Travessa

Figura 29- Elevador no interior da caixa de escadas de um edifício antigo do tipo “gaioleiro”

34

Como referido, as estruturas de betão (Figura 31), embora possuam boas propriedades estruturais,

não são usuais devido à dificuldade de execução e ao espaço ocupado. Este tipo de estrutura de

elevador pode ser realizado em pórtico, sendo as paredes constituídas de panos de alvenaria.

Figura 30- Sistemas de contraventamento. a) Estrutura de um elevador hidráulico de cabos (Stannah). b) Contraventamento superior (Elevadores

Lift Carga) c) Barras de contraventamento (S3i Group). d) Sistema de contraventamento (Vipalspa)

a)

b)

c) d)

Figura 31- Estrutura elevador em betão armado num edifício do tipo gaioleiro

35

3.3. Acções desenvolvidas pelo sistema de elevadores

Importa identificar as acções desenvolvidas pelos elevadores nas suas estruturas de suporte, para

que estas sejam correctamente dimensionadas. No capítulo anterior classificou-se os elevadores

consoante o tipo de mecanismo de elevação, identificando-se dois tipos principais: os elevadores

hidráulicos e os elevadores eléctricos de tracção. As acções desenvolvidas por estes dois tipos de

elevadores são, obviamente, diferentes dado que o encaminhamento das cargas do sistema para a

estrutura é realizado de modo distinto.

Embora este trabalho seja vocacionado para a reabilitação de edifícios antigos, os pontos

desenvolvidos na presente secção são válidos para edifícios novos, pois os mecanismos de

funcionamento são semelhantes.

Primeiramente, interessa distinguir duas situações de carga na estrutura do elevador: uma fase de

serviço, em que o elevador funciona, não ultrapassando a sua capacidade de carga e velocidades

admissíveis; e uma outra situação de emergência, em que são accionados os mecanismos de

segurança. Em fase de serviço, os elevadores de tracção geram forças nos seus apoios através de

forças verticais (concentradas) no topo das estruturas de elevadores. Essas forças dependem da

capacidade de carga e de possíveis efeitos dinâmicos, originados pela movimentação da cabine. Os

elevadores hidráulicos, em fase de serviço, exercem forças verticais directamente na base, devido à

posição do mecanismo de elevação. Correntemente, na reabilitação de edifícios antigos com mais de

dois pisos, os elevadores hidráulicos são do tipo indirecto, exercendo forças nas guias da cabine que

são, posteriormente, encaminhados até as fundações. Em situação de emergência, por vezes,

ocorrem movimentos bruscos que imobilizam o sistema de elevação e geram-se forças consideráveis

que devem ser tomadas em consideração no dimensionamento da estrutura do elevador.

No 2º capítulo do presente documento indicou-se que os elevadores se conectam à caixa em três

partes distintas: às guias (que são fixas às paredes ou travessas das estruturas); às máquinas de

tracção (que são fixas no topo das estruturas); e ao poço do elevador (onde assentam as máquinas

hidráulicas e os amortecedores de segurança). É essencial caracterizar o comportamento estrutural

de cada componente, para que se possa determinar os seus efeitos nas estruturas de elevadores.

Na 1ª parte da norma EN81 (CEN NP EN 81-1, 2000), destinada a elevadores de tracção, exige-se

que a casa das máquinas, situada no cimo da estrutura, deve ser construída de modo a suportar as

cargas e forças a que possa estar submetida. No entanto, na norma não se quantifica a intensidade

da força, apenas a capacidade máxima de utilização, a capacidade máxima dos cabos de tracção e

as forças exercidas nos gornes das polias.

A verificação de segurança das guias é de extrema importância para o dimensionamento das

estruturas dos elevadores, pois as guias estão fixas à caixa, estabelecendo uma relação entre o

sistema de elevadores e a estrutura. As normas (CEN NP EN 81-1, 2000) e (CEN NP EN 81-2, 2000)

fornecem indicações específicas para o cálculo destas peças, mas não fazem uma diferenciação

36

directa consoante o tipo de sistema (hidráulico ou de tracção). As normas referidas designam as

seguintes forças para o cálculo das guias:

P- Força que representa a massa da cabine vazia e as componentes associadas a esta;

Q- Carga nominal, definida no capítulo 2;

Fs- Força de carga ou descarga da cabine;

Fk ou Fc- Força de varejamento para análise da instabilidade das guias da cabine ou do

contrapeso, respectivamente. Estas forças dependem de um coeficiente de impacto K1;

G- força de guiamento para o contrapeso;

M- forças por guia devido a equipamentos auxiliares fixados à guia;

WL- forças transmitidas pelo vento.

São considerados dois casos de carga, consoante a actividade do elevador, e para cada caso são

admitidas as combinações de forças conforme a Tabela 7.

Tabela 7- Forças a considerar para o dimensionamento das guias, em função dos diversos casos de carga. Adaptado de (CEN NP EN 81-1, 2000) e (CEN NP EN 81-2, 2000)

Casos de carga P Q G Fs Fk ou

Fc M WL

Utilização Normal Funcionamento + + + + +

Carga + descarga + + + +

Actuação de um dispositivo de

segurança

Dispositivos de segurança ou similar

+ + + + +

Válvula de rotura + + +

A utilização normal em funcionamento do elevador corresponde a uma situação corrente, em que o

elevador transporta a carga nominal e sobre este actua uma acção de vento. A situação de

“carga+descarga” corresponde a efeitos provenientes da entrada e saída de cargas do elevador.

A utilização de dispositivos de segurança (por exemplo, o accionamento do pára-quedas ou da

válvula de rotura) condiciona o projecto das guias, em termos de resistência, pois actuam

repentinamente e envolvem cargas consideráveis.

As mesmas normas têm em conta os efeitos de impacto associados a situações de emergência

através de três coeficientes de impacto. O primeiro coeficiente, tem em conta o efeito de bloqueio na

guia quando o sistema fica imobilizado. O segundo coeficiente, aumenta a força vertical aplicada à

cabine devido aos efeitos dinâmicos da travagem da cabine. O terceiro coeficiente de impacto, toma

em consideração um possível ressalto do contrapeso ou massa de equilíbrio, devido a uma

desaceleração significativa da cabine.

As guias devem ser dimensionadas tendo em conta os esforços de flexão e, ainda, a consideração

de varejamento da peça. Este último efeito é considerado através de uma tensão limite na secção,

definida através de uma expressão que depende de vários parâmetros, como o vão livre da guia, o

comprimento de encurvadura e um coeficiente de esbelteza.

37

Apôs o cálculo dos efeitos dos elevadores nas guias, as tensões actuantes têm de ser comparados

com as tensões admissíveis, multiplicadas por um factor de segurança. Os deslocamentos, devem

também ser avaliados com o objectivo da verificação da segurança.

A força associada ao peso máximo dos passageiros é aplicada numa posição desfavorável da cabine

e, devido à excentricidade da força, é gerado um binário nas guias. A Figura 32 representa este

efeito num elevador hidráulico, inserido numa estrutura metálica.

A resistência do fundo do poço e dos amortecedores são, também, contempladas nas normas, mas

devido ao âmbito do presente trabalho não são abordadas no presente capítulo.

É necessário avaliar o comportamento sísmico do elevador e da sua estrutura, e um possível efeito

de interacção elevador-estrutura do edifício.

Guia

Montante

Cabine

Cabine

Sistema Hidráulico

Figura 32- Representação esquemática das forças devidas à carga nominal “Q” num elevador hidráulico de acção indirecta de cabos. A excentricidade “e” representa a distância entre as guias e a posição mais

desfavorável de “Q”. Adaptado de (ENOR Ascensores , 2007)

Planta esquemática

Corte esquemático

Q

M=Qxe

Porta interior de abertura compacta

38

39

4. Estruturas de elevadores como elementos de reforço sísmico de edifícios

antigos

4.1. Generalidades

No presente capítulo estuda-se o desempenho de várias estruturas de elevadores e a sua

aplicabilidade como elemento de reforço sísmico de edifícios do tipo gaioleiro. A escolha do tipo e

geometria do edifício, justificam-se pela vulnerabilidade do parque habitacional da cidade de Lisboa,

nomeadamente dos edifícios gaioleiros.

Foram concebidas diversas estruturas de elevadores e realizaram-se análises elásticas

tridimensionais, em que os efeitos do comportamento não linear dos materiais foram tidos em conta

através do coeficiente de comportamento.

Nas análises efectuadas recorreu-se a duas normas para a quantificação do coeficiente de

comportamento, a norma europeia “EN1998, parte3- Assessment and retrofitting of buildingsa” (CEN

EC8-3, 2005) e norma sísmica italiana OPCM 3274 e respectivas modificações na norma OPCM

3431 (OPCM 3274, 2003).

No modelo tridimensional do edifício, modelou-se o pavimento como piso rígido, não permitindo

deformações horizontais no plano do piso. Esta hipótese justifica-se por duas razões: a primeira é

que só assim será possível potenciar os efeitos resultantes da inclusão da estrutura do elevador e, a

segunda, é que é razoável que numa intervenção de reforço sísmico ao nível global num edifício de

alvenaria, sejam consideradas estas medidas.

Compararam-se os resultados das análises do edifício sem intervenção e do edifício reforçado

através da inclusão das várias estruturas de elevadores. Os parâmetros de comparação são os

deslocamentos, as forças actuantes e resistentes, os períodos de vibração e as tensões na estrutura

de reforço.

Por fim, faz-se a verificação de segurança através de um modelo do tipo Mohr-Coulomb para a

estrutura global e para as paredes de alvenaria e analisam-se as tensões nas estruturas de reforço.

40

4.2. Edifícios antigos

O parque habitacional em Portugal é caracterizado por edifícios de várias épocas e pode identificar-

se várias soluções construtivas. Vítor Cóias (Cóias, 2007), classificou os principais sistemas

construtivos da cidade de Lisboa, consoante a época em que foram construídos e sintetizou a

informação referida na Figura 33. É importante referir que a evolução dos sistemas construtivos foi

contínua, não havendo limites temporais bem definidos.

Na Figura 33 é possível identificar três tipologias construtivas correspondentes a diferentes

comportamentos sísmicos:

Edifícios de estrutura em alvenaria, de construção tradicional e com pavimentos de madeira:

neste grupo incluem-se os edifícios pré-Pombalinos, os edifícios Pombalinos e os edifícios

“Gaioleiros”;

Edifícios de estrutura em alvenaria com elementos de betão armado: correspondem aos

edifícios de “placa” e aos edifícios de pequeno porte de alvenaria confinada;

Edifícios de estrutura em betão armado.

Usualmente, um edifício é designado de antigo quando foi construído antes da generalização da

utilização do betão armado que ocorreu na década de 40 do Século XX, ou seja, aquele que foram

construídos com recurso a técnicas e materiais tradicionais como a alvenaria e a madeira. Assim, o

Figura 33- Evolução dos processos construtivos correntes do edificado de Lisboa. Adaptado de (Cóias, 2007)

1- Medievais 5- de Placa 2- Renascentistas 6- Betão armado sem ductilidade 3- Pombalinos 7- Betão armado com ductilidade 4- Gaioleiros

41

edifício antigo é constituído por paredes de alvenaria de pedra e tijolo e por pavimentos de madeira.

(Pereira, 2009) (Appleton J. , 2003).

A quantidade de edifícios antigos em Portugal é considerável, especialmente nas zonas históricas

dos centros urbanos, como é o caso de Lisboa. No concelho de Lisboa, a percentagem de edifícios

construídos antes da generalização do betão armado, era de 39%, em 2001 (Gomes R. , 2011). O

número de edifícios desta tipologia não variou significativamente em dez anos, e os censos de 2011

(Tabela 8) indicam que os edifícios de Lisboa anteriores a 1949 continuam a representar 38% do

total.

Tabela 8- Número de edifícios por data de construção e localização (Instituto Nacional de Estatística, 2012)

Total Antes de 1919 1919 - 1945

1946-2011

Percentagem antes de 1946

Portugal 3544389 206343 305696 3032350 14%

Continente 3353610 195169 288132 2870309 14%

Concelho de Lisboa 52496 10279 9747 32470 38%

Os edifícios antigos apresentam uma vulnerabilidade sísmica elevada (Lopes, 2009) e,

correntemente, necessitam de intervenções estruturais com o objectivo de diminuir os impactos

causados por um sismo. Muitos edifícios são alvo de intervenções de reabilitação, mas em muitos

casos, essas intervenções não incluem qualquer tipo de reforço sísmico.

Relativamente ao comportamento estrutural, os edifícios antigos de Lisboa podem agrupar-se em

quatro tipos:

Edifícios pré-pombalinos, construídos anteriormente ao sismo de 1755. São edifícios que não

apresentam qualquer tipo de concepção sísmica;

Edifícios pombalinos (Figura 34), construídos posteriormente ao sismo de 1755. Esta

tipologia foi criada após a reconstrução pombalina, e tinha boa qualidade de construção, com

a preocupação de um bom comportamento sísmico, utilizando-se para esse efeito técnicas

construtivas adequadas, como as gaiolas pombalinas e aberturas uniformes e reduzidas nas

paredes. (Gomes R. , 2011);

Edifícios gaioleiros (Figura 34), construídos no final do século XIX e inicio do século XX com

a expansão demográfica da cidade para Norte. Deixaram de ser executados por volta da

terceira década do século XX, com o aparecimento do betão armado. Estes edifícios

possuem mais deficiências estruturais que os seus predecessores, os pombalinos. Com o

passar dos séculos, a memória dos efeitos destrutivos do sismo deixou de estar presente e o

rigor construtivo das “Gaiolas” começou a ser descurado. (Branco, 2007);

42

Edifícios de placa (Figura 34), construídos após os edifícios gaioleiros. Estes edifícios

possuem algumas características idênticas aos edifícios de alvenaria, com algumas

alterações relativas aos pisos, em que se substituiu o pavimento de madeira por lajes de

betão armado e introduziu-se outros elementos em betão armado, tornando-se assim um

edifício misto de alvenaria e betão armado. Esta modificação tem melhorias no

comportamento sísmico do edifício, devido essencialmente, ao aumento de rigidez do piso,

no entanto o aumento da massa pode fazer com que a acção sísmica seja maior. Esta

tipologia construtiva surgiu associada à construção de bairros sociais promovidos pelo

Estado Novo, entre as décadas de 30 e 40 do século XX. (Monteiro B. , 2013).

4.3. Edifícios antigos- o caso do edifício gaioleiro

Para o presente estudo considerou-se como edifício modelo, um edifício da tipologia gaioleiro, pelas

seguintes razões:

Pior comportamento estrutural face aos edifícios mencionados;

Elevado número de edifícios desta tipologia presentes em Lisboa;

Edifícios deste tipo possuem um número de pisos significativo e dimensões consideráveis

em planta;

Falta de reabilitação estrutural neste tipo de edifício, dado que a maioria destes é para uso

habitacional.

No entanto, as conclusões do presente estudo, tendo por base um edifício gaioleiro, são extensivas

aos edifícios pombalinos, devido às características semelhantes.

Figura 34- À esquerda: edifício pombalino (Lima). Ao centro: edifício gaioleiro. À direita: edifício de placa (Monteiro B. , 2013)

43

4.3.1. Características arquitectónicas e estruturais

Na altura da construção dos edifícios gaioleiros, praticamente não existiam regulamentos e normas a

cumprir, pelo que é difícil garantir uma regularidade e qualidade na execução destes edifícios. As

características que se descrevem de seguida são de caracter geral e estão referenciadas na

bibliografia. (Gomes R. , 2011), (Branco, 2007), (Appleton J. G., 2005) e (Monteiro J. , 2012)

Podendo estar inseridos em quarteirões ou isolados, os edifícios gaioleiros apresentam uma variação

do número de fracções por piso que depende da largura do lote onde está introduzido. Para edifícios

com largura inferior a 10m, existe, em geral, apenas um fogo por piso e quando a largura é superior a

13m é possível encontrar dois fogos por piso.

Os lotes são essencialmente rectangulares e alongados, em que os lados menores são as fachadas

principal e de tardoz. As fracções apresentam tipologias com um elevado número de quartos,

dispostos principalmente nas laterais do edifício, com salas junto da fachada principal e cozinhas no

tardoz.

Este tipo de edifício apresenta, geralmente, uma ou mais aberturas verticais denominadas por

saguões (Figura 35). Este elemento pode existir no centro do edifício, ou nas empenas confinantes

com outros edifícios. Tem como função a criação de um espaço interior que proporciona mais

luminosidade ao interior do edifício e facilita a ventilação das fracções. O formato do saguão é

geralmente rectangular com dimensões variadas.

Os edifícios gaioleiros possuem geralmente quatro a cinco pisos, com fachadas principais mais

trabalhadas em cantaria com frisos, cimalhas e esculturas. As aberturas nas fachadas principais são

maiores e menos regulares do que nos edifícios pombalinos.

As fachadas de tardoz possuem, por vezes, escadas de serviço/emergência e varandas metálicas.

Devido à degradação do metal, estas componentes foram substituídos por elementos de betão

armado. (Gomes R. , 2011).

Saguão Central

Caixa de escadas

Figura 35- Planta tipo de um edifico gaioleiro e fotografia do saguão vista da cave. (Branco, 2007)

44

As paredes assentam directamente no solo através de caboucos, com larguras de, cerca, duas vezes

a largura das paredes e profundidade consoante as condições geotécnicas. Este tipo de edificado

apresenta uma malha ortogonal de paredes que têm uma elevada importância na sua resistência

sísmica. As paredes exteriores têm uma espessura na ordem dos 80 cm e são constituídas por

alvenaria de pedra ordinária, com pedra calcária e argamassa de cal aérea (Gomes R. , 2011).

Nalguns edifícios, é possível observar a diminuição da espessura destas paredes em altura. As

paredes interiores podem ser de dois tipos, paredes-mestras interiores e paredes divisórias

interiores. As paredes-mestras interiores geralmente constituem as paredes do saguão e, por vezes,

as paredes da caixa de escada. Esta classe de paredes apresenta espessuras na ordem dos 30 cm

e a sua constituição ou é idêntica às paredes exteriores ou é em alvenaria de tijolo. As paredes

divisórias possuem uma espessura menor, da ordem dos 15 cm, e são constituídas por alvenaria de

tijolo ou por tabiques (tábuas de madeira pregadas e rebocadas). Os tabiques, nalguns casos são

utilizados como estruturas resistentes, suportando os pavimentos.

Os pavimentos dos edifícios de alvenaria são de dois tipos, de madeira nas zonas correntes e, por

vezes, em estrutura metálica nas zonas húmidas (casas de banho e cozinhas). Os pavimentos de

madeira são constituídos por tábuas de solho que assentam em vigas principais de madeira, que por

sua vez, se apoiam nas paredes de alvenaria. Relativamente ao pavimento metálico, este é

composto por vigas de secção I que recebem abobadilhas cerâmicas ou elementos de madeira.

A cobertura é, normalmente, constituída por telhas cerâmicas com inclinações variadas que

assentam numa estrutura de madeira. Essa estrutura pode ser realizada em vigas de madeira

apoiadas nas paredes do último piso, ou em asnas de madeira, com diferentes configurações.

A caixa de escadas dos edifícios gaioleiros (Figura 35 e Figura 36) existe normalmente a um quarto

do comprimento do edifício. Normalmente, as escadas são em madeira e apresentam 3 lanços com

dois patins. Existem alguns edifícios gaioleiros onde é possível encontrar elevador na bomba de

escadas. Este equipamento, do início de século, era considerado um produto luxuoso. Existem

edifícios deste tipo onde é possível encontrar bombas de escadas muito largas, que permitem a

inserção do elevador, embora seja inexistente (Figura 36).

Figura 36- Bomba de escadas preparada para elevador com porta e grade mas que não chegou a ser instalado (Gomes R. , 2011)

45

4.3.2. Comportamento sísmico

A perda de qualidade construtiva e estrutural, na transição do edifício pombalino para o edifício

gaioleiro agravou o comportamento ao sismo desses edifícios, pois os gaioleiros deixaram de possuir

o sistema de gaiola. Para agravar essa situação, ainda houve um aumento do número de pisos nos

edifícios gaioleiros.

O comportamento sísmico dos edifícios de alvenaria depende dos principais factores: dimensões e

forma em planta do edifício, número de pisos, disposição em altura, distribuição de massas,

qualidade da construção, materiais, processos de construção e época de construção. (Branco, 2007).

Devido às dimensões das paredes e orientação, os edifícios gaioleiros são caracterizados por terem

frequências altas de vibração.

A resistência sísmica depende da capacidade de transmissão das forças de inércia provocadas pelo

sismo, através das paredes, para a fundação. Para que as paredes consigam transmitir essas forças,

necessitam de possuir simultaneamente resistência à flexão e resistência ao corte. Os mecanismos

de colapso das paredes submetidas às acções horizontais têm duas orientações: o plano das

paredes e para fora do plano das paredes. O colapso no plano pode ocorrer segundo um dos

seguintes mecanismos (Figura 37):

Fendilhação diagonal, em que são geradas superfícies de roturas com orientação diagonal;

Deslizamento, com rotura num plano horizontal;

Flexão composta, em que a parede sofre derrubamento gerando-se roturas por

esmagamento e fendilhação horizontal.

O colapso para fora do plano das paredes é um tipo de rotura bastante característico das edificações

de alvenaria. É reconhecido que só é possível obter um razoável comportamento sísmico dos

edifícios de alvenaria se estiver prevenido o colapso das paredes para fora do seu plano, sendo

possível mobilizar a resistência das paredes no seu plano. Para mobilizar esta resistência, é

necessário que o edifício possua um comportamento do tipo caixa e só acontece quando os

pavimentos têm um comportamento próximo do comportamento de diafragma informável e quando

as paredes estão ligadas ao piso e entre si (não estando solicitadas para fora do seu plano).

Fendilhação diagonal Deslizamento Flexão composta

Figura 37- Mecanismos de rotura possíveis, linhas de rotura a vermelho. N- esforço normal. V- esforço de corte. (Sabatino & Rizzano, 2011)

46

Os diafragmas indeformáveis são também responsáveis por uma melhor distribuição das forças de

inércia pelas paredes do edifício (Figura 38).

No presente estudo admite-se que o comportamento das paredes para fora do plano está impedido e

que o piso se comporta como diafragma indeformável. Já foram estudados por diversos autores

soluções para transformar os pisos em diafragmas indeformáveis e a título de exemplo apresenta-se

na Figura 39,uma técnica com recurso a diagonais em tirantes de aço

Pisos e paredes flexíveis sem ligações

Pisos e paredes flexíveis com ligações

Pisos rígidos com paredes conectadas

Figura 38- Efeitos da rigidez do plano no piso e das ligações entre paredes ((1) Modena, 2012)

Figura 39- a) Esquema em planta do contraventamento horizontal (Modena, et al., 2009). b) Imagem de aplicação (Modena, Analisi e interventi strutturali su edifici in muratura secondo le Norme Tecniche per le

Costruzioni 2008, 2012). c) Esquema de fixação (Branco, 2007)

a) b)

c)

47

4.4. Aspectos a considerar na concepção de estruturas de reforço sísmico

Como referido, os edifícios de alvenaria possuem elevada rigidez e falta de resistência. Aumentar a

resistência do edifício passa por aumentar a resistência das paredes através da modificação das

mesmas, tanto a nível geométrico, como ao nível do material. Outra forma de melhorar o

comportamento do edifício é através da diminuição das forças transmitidas às paredes pela adição

de novos elementos resistentes.

A estrutura do elevador pode ser usada nesta problemática como um novo elemento resistente do

edifício. Com uma estrutura de elevador é natural que as forças actuantes sejam distribuídas não só

pelos elementos existentes e, também, pelos elementos novos (diminuindo-se as forças actuantes na

estrutura original).

No caso de o edifício apresentar um piso rígido com o comportamento de diafragma indeformável, a

distribuição de forças é mais depende da rigidez dos elementos resistentes. Um elemento com maior

rigidez absorve uma maior força sísmica. Se existir um elemento totalmente rígido anexado a um

elemento flexível, as forças actuantes são totalmente absorvidas pelo elemento rígido (Figura 40).

O sismo introduz deslocamentos impostos ao edifício, gerando-se forças de inércia. Estes

deslocamentos necessitam de ser compatibilizados através da deformação do edifício. Em regime

elástico, através das equações constitutivas, é possível determinar as forças geradas pelos

deslocamentos, sendo que essas forças são tanto maiores quanto maior for a rigidez dos elementos

e, também, das acelerações do solo.

A questão principal do problema do reforço através da inclusão de novas estruturas é identificar a

rigidez adequada à nova estrutura.

Figura 40- Estrutura de reforço totalmente rígida. Reacções na estrutura de reforço

48

Na Figura 41, é possível observar a diminuição de deslocamentos com o aumento da rigidez da

estrutura de reforço e a Figura 42 reflecte a diminuição de esforços da estrutura com a adição de um

elemento de reforço.

Se possuirmos uma estrutura de reforço infinitamente rígida, as paredes de alvenaria não serão

solicitadas, verificando assim os critérios de resistência da alvenaria. Na realidade, é impraticável

conceber uma estrutura assim devido às condicionantes construtivas. Mas mesmo que a estrutura

possuísse uma rigidez suficientemente elevada para que as paredes não fossem solicitadas, surgia

outra questão: a resistência da estrutura de reforço seria suficiente de modo a desempenhar as suas

funções sem colapsar e perder rigidez?

Surge, então, o problema da relação rigidez-resistência. Quanto mais rígida for a estrutura de

reforço, mais esforços absorverá e será necessário mais resistência. Por outro lado, a estrutura pode

ter grande capacidade de resistência e não ser capaz de atrair esforços, por ser uma estrutura pouco

rígida.

Os princípios enunciados referem-se ao comportamento elástico linear das estruturas. Existe a

possibilidade de exploração da não linearidade dos materiais e da estrutura, aumentando o nível de

deslocamentos para uma resistência constante, (assumindo a hipótese de resistência pós-cedência

Figura 42- Efeito do aumento de resistência de um elemento em pórtico através da introdução de uma estrutura contraventada. Envolvente dos esforços de flexão. a) Situação sem reforço. b)

Situação com reforço. (Lopes, 2009)

a) a) b) b)

Figura 41- Avaliação do efeito da rigidez. Modelos de estruturas porticadas com diferentes estruturas de reforço. Deslocamentos devido à acção sísmica. Caso 1- Estrutura original. Caso 2- Estrutura com pórtico contraventado.

Caso 3- Estrutura totalmente contraventada. (Lopes, 2009)

Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 1 Caso 2 Caso 3

49

constante). No entanto, para a utilização deste comportamento é necessário garantir várias

condições, nomeadamente a existência de ductilidade e de capacidade de deformação no

comportamento idealizado. É, também, necessário definir os critérios de projecto que possibilitem

que a alvenaria entre em plastificação. Este assunto reforça a dúvida na definição do material da

estrutura de elevadores e cria uma outra problemática que é a incerteza no comportamento plástico

da alvenaria, difícil de prever dada a incerteza dos seus parâmetros mecânicos.

O comportamento não linear da alvenaria é visível logo após a primeira cedência. Em edifícios deste

tipo acontece nos primeiros instantes da acção sísmica, por ser bastante reduzida a qualidade e

resistência dos materiais ligantes. (Sabatino & Rizzano, 2011).

Na definição duma estrutura, o seu comportamento decide-se através de parâmetros mecânicos e

geométricos. Relativamente aos parâmetros mecânicos, o objectivo é criar uma estrutura

suficientemente rígida. Importa escolher um material de módulo de elasticidade elevado.

4.5. Concepção de estruturas de reforço sísmico

No âmbito desta dissertação, foram concebidas várias estruturas de elevadores para teste num

modelo de elementos finitos. Tentou-se criar soluções que minimizassem o impacto visual e funcional

do edifício e que conduzissem a aumento global de resistência do edifício.

Criaram-se dois tipos principais de estruturas de elevadores: uma estrutura metálica, em que se

variaram parâmetros de ordem geométrica; e uma estrutura de betão armado. Estas estruturas estão

integradas na caixa de escadas do edifício e são caracterizadas seguidamente.

Como referido, um dos principais problemas associados à instalação do elevador é a existência de

espaço para a implementação do elevador e dos equipamentos. Esta condicionante é tomada neste

estudo através da dimensão da caixa de escadas e da largura das escadas.

Na descrição das estruturas metálicas, não se faz referência à geometria e tipos de ligações entre

peças. Admite-se que as peças convergem nos seus eixos principais e se intersectam nos nós.

EM1- Estrutura metálica 1

A escolha deste tipo de estrutura foi baseada nas estruturas existentes no mercado corrente e

justificada como uma primeira abordagem ao problema. É uma estrutura metálica tridimensional,

constituída por 4 pórticos planos em que os perfis são do tipo comercial compostos por travessas

horizontais ao nível do piso e a nível intermédio, montantes e diagonais. O espaçamento entre os

eixos dos montantes é o mesmo nas duas direcções e toma o valor de 1.50m (Figura 43).

O contraventamento só é possível em três dos quatro planos da estrutura do elevador, já que no

plano das portas do elevador são necessárias aberturas para a utilização do elevador.

50

Os perfis escolhidos para as travessas e montantes são tubulares de secção quadrada com

dimensões exteriores de 100mm e uma espessura de 8mm. Para as diagonais do contraventamento,

optou-se tirantes metálicos como o da Figura 30 c), com uma área nominal de 245mm² e sem rigidez

de compressão.

Relativamente ao comportamento estrutural, espera-se que em cada direcção a estrutura possua um

comportamento do tipo viga, em treliça vertical encastrada na base. Nos três planos contraventados

a treliça é do tipo Pratt, com as diagonais à tracção e as travessas à compressão e no plano da

abertura do elevador a treliça é do tipo Vierendeel, em que os esforços são equilibrados através da

flexão dos montantes e travessas. Na Figura 44, é possível observar o comportamento simplificado

destes tipos de estruturas para um carregamento simulando um sismo.

Figura 43- Esquemas da estrutura EM1- a) e b) Perspectiva; c) plano contraventado; d) plano não contraventado (plano das portas do elevador)

a) b) c) d)

Figura 44- Tipos de estruturas em treliça e equilíbrio de cargas para a acção sísmica

Tipo Pratt Tipo Vierendeel Tipo Warren

Tracção

Compressão

Tracção+ Flexão

Compressão+ Flexão

Compressão

Tracção

51

Não se espera que esta estrutura cause uma modificação considerável no comportamento estrutural

do edifício, devido à reduzida dimensão dos montantes e diagonais e baixo espaçamento de

montantes.

A estrutura metálica encontra-se fundada num maciço de betão armado, mas não é realizado

qualquer tipo de estudo sobre o mesmo. Admite-se que as estruturas metálicas que se estudam nas

páginas seguintes estão fundadas da mesma forma.


Esta estrutura é semelhante à estrutura EM1, no que respeita à disposição geométrica, possuindo

perfis mais robustos e contraventamentos com perfis metálicos comerciais, funcionando à tracção e

compressão, como uma treliça do tipo Warren (Figura 44). Todos os perfis são tubulares de secção

rectangular ou quadrada. Definiu-se estrutura EM2 com montantes de dimensões exteriores de

300mm por 200mm e espessura de 12.50mm, com diferentes orientações. O contraventamento e as

travessas são constituídos por secções quadradas tubulares de 180mm e espessura de 12.50mm.

Com o objectivo de avaliar a rigidez da estrutura EM2, variou-se o espaçamento entre montantes “L”

em 1.50m, 1.75m, 2.00m e 2.20m.

Também se fez variar as dimensões das secções transversais das peças metálicas e para um melhor

tratamento de dados, criou-se três estruturas para além da estrutura EM2. O nome dessas estruturas

corresponde à secção das suas peças conforme exposto na Tabela 9.

Tabela 9- Variação das secções- dimensões das secções tubulares1

Estrutura Montantes Travessas Diagonais Área montantes [mm²]

150x150x10 150x150x10 150x150x10 150x150x10 2900

EM2 300x200x12,50 180x180x12,50 180x180x12,50 6094

350x350x12,50 350x350x12,50 350x350x12,50 350x350x12,50 8594

400x400x20 400x400x20 400x400x20 400x400x20 15600

Com a utilização de peças de dimensões superiores às da estrutura EM1, espera-se que a rigidez da

estrutura de reforço aumente, tal como a rigidez global do edifício, aliviando-se as tensões actuantes

nas alvenarias. Com o aumento do afastamento dos perfis espera-se uma maior rigidez, pois o braço

dos binários é superior.

1 Nomenclatura das dimensões dos perfis: altura total [mm] x Largura total [mm] x Espessura [mm]

52


Dado o pior comportamento, quando sujeita a forças horizontais, da estrutura do tipo Vierendeel

(plano das portas do elevador) comparada com a estrutura contraventada, optou-se por rigidificar o

plano do pórtico não contraventado através do aumento da rigidez de flexão das travessas. Para tal,

tirou-se ainda partido das propriedades das paredes de alvenaria. Tendo-se prolongado e encastrado

as travessas até às paredes de alvenaria (Figura 46).

Figura 45- Esquema tridimensional da Estrutura EM2 e planta esquemática da caixa de escadas

X

Y

L- Variável

L-

Va

riá

ve

l

Figura 46- Esquemas tridimensionais da EM3

53

Para tirar maior partido deste sistema, pode-se aumentar a dimensão da travessa e assim serão

maiores os esforços que a estrutura conseguirá equilibrar através da parede de alvenaria. Para

analisar este efeito, foram testadas várias travessas, todas de secção do tipo IPE: IPE 180, IPE 200,

IPE 220, IPE 240, IPE 300, IPE 360. A secção escolhida para a estrutura EM3 foi o IPE 300.

Com este reforço espera-se que a estrutura EM3 possua um comportamento com maior simetria que

as antecessoras, mas só será possível se a parede de alvenaria possuir rigidez suficiente na

direcção vertical.


Na estrutura de elevador metálica EM4, teve-se o objectivo de aumentar a sua rigidez através do

aumento da rigidez axial das cordas da treliça e do aumento da rigidez de flexão do plano de

Vierendeel. Para concretizar este objectivo foram utilizados montantes mistos de aço e betão.

As características desta estrutura são idênticas à estrutura EM2, embora possua os montantes

mistos de aço e betão. Na Figura 47 é possível ver a secção transversal dos montantes. Optou-se

por não apresentar o esquema tridimensional por ser semelhante ao esquema da Figura 45.

Também se fez variar o espaçamento entre montantes em 1.50m, 1.75m, 2.00m e 2.20m.

Com a implementação de varões de aço nervurado e betão estrutural no interior da secção, é

expectável que a rigidez axial da secção aumente, fazendo com que a rigidez global da estrutura

também aumente. A participação do betão à tracção não foi contabilizada devido ao baixo valor deste

o que pode levar a que exista uma perda de rigidez axial considerável.


Esta estrutura engloba duas componentes: a estrutura interior tridimensional, semelhante à estrutura

EM2, localizada na bomba de escadas; e uma estrutura exterior tridimensional, junto das paredes da

caixa de escadas. Estas duas estruturas estão conectadas, através de travessas, no plano das

portas do elevador (Figura 48).

Figura 47- Corte transversal dos montantes da EM4 [mm]

54

Na Figura 48 é possível observar a planta da estrutura, ao nível do patamar de piso. Note-se que a

posição do plano das portas do elevador é a mesma que nas restantes estruturas. Todas as peças

desta estrutura são constituídas por secções tubulares quadrangulares, com excepção dos

montantes do plano das portas do elevador da estrutura exterior que possuem secção rectangular.

Na Tabela 10, estão representadas as dimensões das componentes da estrutura EM5. A tabela

classifica o tipo de perfil consoante a sua localização na estrutura, interior e/ou na estrutura exterior,

e consoante o plano em que está inserido.

Tabela 10- Dimensões dos perfis da EM 5

Tipo Estrutura Plano Secção2

Montante

Interior Contraventado 150x150x12,50

Exterior Contraventado 200x200x12,50

Exterior Portas do elevador 200x150x12,50

Travessa

Interior Contraventados 100x100x8

Exterior Contraventados 150x150x8

Exterior e interior Portas do elevador 150x150x10

Diagonal Interior - 150x150x10

Exterior - 180x180x12,50

O objectivo desta solução é o aumento da rigidez e da resistência das estruturas de reforço através

da inclusão de mais elementos metálicos e do aproveitamento total do espaço existente na caixa de

escadas. Esta estrutura tem implicações negativas, como o aumento do volume de aço e por

representar uma intervenção mais acentuada no edifício.

2 Nomenclatura das dimensões dos perfis: altura [mm] x Largura [mm] x Espessura [mm]

Figura 48- Esquema tridimensional da Estrutura EM 5 e planta esquemática da caixa de escadas

55

EBA- Estrutura de betão armado

Esta estrutura é constituída por uma peça de betão armado em forma de “C”, localizada na bomba de

escadas do edifício. A espessura deste núcleo é de 25cm e as restantes dimensões podem ser

identificadas na Figura 49- Desenho da secção de betão armado e planta esquemática da caixa de

escadas.

Com esta estrutura, pretende-se o aumento da resistência global do edifício através da introdução de

um elemento resistente.

4.5.1. Quadro resumo das estruturas de reforço analisadas

Na Tabela 11 sintetizam-se as principais características das estruturas analisadas no presente

documento.

Tabela 11- Identificação das estruturas a analisar.

EM 1 Estrutura metálica tridimensional corrente, com perfis de tamanho reduzido

EM 2 Estrutura metálica tridimensional, com perfis robustos

EM 3 Estrutura metálica tridimensional, com viga de reforço

EM 4 Estrutura metálica tridimensional, com montantes mistos em aço e betão armado

EM 5 Estrutura metálica tridimensional dupla (estrutura interior + estrutura exterior)

EBA Estrutura de betão armado em secção “C”

Figura 49- Desenho da secção de betão armado e planta esquemática da caixa de escadas

56

4.6. Estudo sísmico das propostas de estruturas de elevadores

4.6.1. Modelação do comportamento não linear

A modelação da alvenaria como elemento de comportamento elástico linear não é realista, pelo que

é necessário considerar o seu comportamento não linear. Para considerar tal comportamento, foi

realizada uma análise elástica tridimensional com modelação do comportamento não linear através

de um coeficiente de comportamento.

Para a quantificação deste coeficiente, consultaram-se duas normas: a norma europeia EN 1998-3

(EC8) e a norma italiana OPMC 3431. A norma italiana OPCM 3431 contempla os critérios definidos

no EC8 mas é mais completa no que diz respeito à verificação da segurança das estruturas de

edifícios existentes (Monteiro J. , 2012).

Segundo o EC8, parte 3, o coeficiente de comportamento a adoptar toma o valor de 1.50 para

estruturas de alvenaria simples. Já a norma italiana explora mais a capacidade não linear das

estruturas de alvenaria e define um coeficiente de comportamento bastante superior, com o valor de

3.00.

Devido ao efeito misto da estrutura em alvenaria e aço e em alvenaria e betão armado, o coeficiente

de comportamento apenas foi utilizado na avaliação dos esforços da estrutura de alvenaria. A

modelação do comportamento não linear das estruturas de aço e de betão armado não foi realizada,

apenas se verificou que estes materiais se comportavam em regime elástico.

4.6.2. Considerações gerais

A modelação foi realizada através do método de elementos finitos, com recurso ao programa de

cálculo automático SAP2000™. A utilização deste método tem por base a resolução numérica de

equações diferenciais, com vista a obter soluções aproximadas em análise de estruturas. (Computers

& Structures Inc, 2011).

Como referido, a estrutura do edifício gaioleiro em estudo é constituída por elementos horizontais em

madeira (pavimentos) e elementos verticais em alvenaria de pedra e de tijolo (paredes exteriores e

interiores). A modelação desses elementos foi realizada através de elementos de placa e de

membrana. Relativamente à estrutura do elevador, foram utilizados elementos barra rectilíneos,

unindo dois nós.

As fundações foram modeladas através de apoios fixos, permitindo as rotações em todos os eixos,

com excepção das fundações do plano das portas do elevador, em que não foi permitida a rotação

neste plano.

A modelação do piso rígido foi realizada através da propriedade de diafragma que o programa de

cálculo automático oferece. Com esta opção, não ocorrem deslocamentos relativos entre pontos no

plano horizontal.

57

A escolha das propriedades mecânicas para a alvenaria deve ser cuidada e no presente caso a

escolha dessas propriedades foi realizada através da consulta da dissertação “Reforço Sísmico de

Edifícios de Alvenaria- Aplicação a edifícios “Gaioleiros” (Branco, 2007). Para considerar a

fendilhação a nível da secção e uma eventual degradação dos materiais, reduziu-se o módulo de

elasticidade da alvenaria de pedra para um terço e o da alvenaria de tijolo para metade. Esta

modificação tem consequências no comportamento estrutural do edifício As propriedades da Alvearia

estão representadas na Tabela 12. (Branco, 2007), (Cardoso, 2002) e (Costa & Oliveira, 1989).

Tabela 12- Propriedades mecânicas da alvenaria (Branco, 2007)

Material Eeff-Módulo de elasticidade

[GPa]

E-Módulo de elasticidade

fendilhado [GPa]

ν- Coeficiente de Poisson

ϒ-Peso

volúmico

[KN/m³]

Alvenaria de Pedra

3.00 1.00 0.20 22.00

Alvenaria de Tijolo

1.00 0.50 0.20 14.60

O pavimento em madeira é constituído por vigas e tabuas de solho. Este sistema estrutural

comporta-se como uma laje em flexão cilíndrica, equilibrando os esforços apenas numa direcção. As

propriedades admitidas na modelação do pavimento foram recolhidas da dissertação “Análise

Sísmica de Edifícios “Gaioleiros”, (Monteiro J. , 2012). O módulo de elasticidade considerado foi de

3.50 GPa, o peso volúmico de 4.50 KN/m³ e o coeficiente de Poisson de 0.20. A espessura

equivalente adoptada foi de 20cm.

Relativamente aos materiais das estruturas de reforço, o aço admitido para as estruturas metálicas

foi o aço S235, com um módulo de elasticidade de 210 GPa, um coeficiente de Poisson de 0.30 e um

peso volúmico de 74 KN/m³. O betão da estrutura de betão armado EBA e da estrutura metálica

mista EM4 é do tipo C25/30 com um módulo de elasticidade de 30 GPa.

As acções estáticas foram definidas de acordo com as normas EN1991-1 (CEN EC1-1, 2009) e

EN1990 (CEN EC0, 2009) e tomam o seguintes valore:

Restantes cargas permanentes- RCP=1.50 KN/m², direcção gravítica, todos os pisos;

Sobrecarga de utilização- Sc=3.00 KN/m², categoria A, direcção gravítica, ψ2=0.20, pisos em

geral;

Sobrecarga de cobertura- Sc=0.40 KN/m², categoria I, direcção gravítica, ψ2=0.00.

A quantificação da acção sísmica depende vários factores. Para caracterizar esta acção, utilizou-se a

norma NP EN 1998-1 (CEN EC8-1, 2010) e o respectivo anexo nacional, sendo a análise realizada

através de combinação modal por espectros de resposta. A combinação direccional foi realizada

através da combinação quadrática. A combinação das respostas modais máximas foi realizada

através da combinação quadrática completa.

58

Para a definição do espectro de resposta considerou-se que o edifício se situa em Lisboa e é de

classe de importância II. Considerou-se que o solo de fundação adoptado é tipo A e adoptou-se um

coeficiente de amortecimento de 5%.

Optou-se por não introduzir o coeficiente de comportamento na quantificação do espectro de

resposta, mas sim, posteriormente, na análise dos esforços. No gráfico da Figura 50 é possível

observar o espectro de resposta elástico das acelerações, para os sismos tipo I e tipo II.

As forças de inércia associadas à acção sísmica dependem das massas associadas à combinação

quase-permanente de acções, tendo por base os respectivos valores reduzidos da acção livre (ψ2).

(Virtuoso & Vieira, 2010/2011)

∑ ∑ Equação 1

A combinação de acções utilizada para a verificação de segurança da estrutura para evento sísmico

é a seguinte:

∑ ∑ Equação 2

A verificação de segurança da estrutura de alvenaria foi realizada através da comparação das forças

actuantes de corte “ ”, ao nível global do edifício e ao nível das paredes para cada piso, com as

respectivas forças de corte resistentes correspondentes a um modelo Mohr-Coulomb “ ”. Nesse

modelo a tensão resistente “ ” depende da coesão “ ” do material, do ângulo de atrito “ϕ” e do

nível de tensões verticais “ ” a que a parede está sujeita:

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2

Sd (

m/s

²)

T (s) Sismo 1.3 Sismo 2.3

Figura 50- Espectro de resposta elástico das acelerações- direcção horizontal

59

( ) ⇔ ( ) Equação 3

em que:

- Força resistente ao corte

- Força vertical actuante ( )- Coeficiente de atrito

- Área da parede - Coesão da alvenaria

Os parâmetros mecânicos da alvenaria foram estabelecidos através dos resultados de ensaios ao

corte do tipo triplet test para alvenarias de pedra calcária irregular com argamassas de cal aérea, e

têm os valores 0.08 MPa para a coesão e 0.56 para o coeficiente de atrito. (Milosevic, Gago, Lopes,

& Bento, 2013).

Para o coeficiente de segurança material “ ” adoptou-se o valor de 2.00 conforme preconizado na

norma OPCM 3274 e como na parte 3 do EC8.

Tanto na OPCM 3274, como na parte 3 do EC8, o conceito de nível de conhecimento para avaliação

de estruturas existentes determina um factor de confiança “ ” a aplicar às propriedades dos

materiais. O valor admitido para “ ” foi de 1.20, em concordância com o trabalho realizado por João

Monteiro em 2012. (Monteiro J. , 2012).

Assim os valores resistentes de dimensionamento adoptados são os seguintes:

( )

Relativamente à verificação da segurança das estruturas de reforço, consideram-se as indicações da

norma EN1993-1 para as estruturas metálicas, considerando o estado limite último da resistência de

secção. Para as estruturas de betão armado e para as estruturas mistas de aço e betão, não foi

realizada a sua verificação de segurança.

4.6.3. Edifício modelo

Características geométricas do edifício

Para estudar a influência da utilização da estrutura de elevador como reforço em edifícios gaioleiros,

foi construído um modelo de um edifício fictício em que se preservou as principais características de

um edifício gaioleiro, com excepção das dimensões em planta. Os edifícios gaioleiros são alongados,

mas decidiu-se estudar somente a zona de influência da estrutura de reforço, resultando num modelo

de edifício mais compacto.

60

As dimensões escolhidas para esse edifício foram baseadas nas características geométricas de

diversos edifícios gaioleiros. Definiu-se, primeiramente, o número de pisos (cinco) em conformidade

com os típicos edifícios gaioleiros. Posteriormente definiu-se as dimensões em planta, a geometria

das fachadas e empenas e os alinhamentos das paredes resistentes.

Considerou-se como dimensão em planta um rectângulo com uma largura de 15.00m e um

comprimento de empena de 13.10m. A altura entre pisos é de 3.40m perfazendo uma altura total de

17.00m. A espessura das paredes das fachadas e das empenas é de 0.70m e das paredes interiores

é de 0.15m, com excepção das paredes divisórias de menor espessura que não são contabilizadas

para a modelação, dado serem elementos não estruturais.

As aberturas das paredes têm vãos inferiores a 1.50m e estão localizadas nas fachadas e empenas.

A existência do saguão não foi contabilizada, pois o saguão encontra-se, em geral, fora da zona de

influência da caixa de escadas. A caixa de escadas é de forma rectangular com dimensões de

4.025m por 3.70m. A largura das escadas é de 1.10m tendo um espaço rectangular com 1.70m por

1.50m destinado ao elevador. A geometria do interior da caixa, não tem qualquer condicionalismo,

podendo ser modificada ao longo do teste das soluções.

A caixa de escadas situa-se no espaço livre do interior do edifício, podendo existir nesse espaço o

elevador e a sua estrutura. Na Figura 51, apresentam-se os alinhamentos das paredes para a análise

de tensões na alvenaria.

Fachada

Principal

Empena

Empena

A

B 4

1

Figura 51- Modelação do edifício (esquema geral e piso tipo) e identificação dos alinhamentos das paredes para verificação de segurança

X

Y

Fachada

Principal

61

Comportamento sísmico do edifício tipo no seu estado original

A análise modal apresenta uma grande quantidade de modos locais associados à elevada

flexibilidade das paredes interiores para fora do plano. Estes modos locais contabilizam uma

participação de massa reduzida e para obter uma participação de massa considerável, foram

calculados 500 modos de vibração para obter um factor de participação de massa de cerca de 92%

na direcção x e de 77% na direcção y (Tabela 13).

Como o cálculo dessa quantidade de modos é um processo muito moroso, foram contabilizados

apenas 50 modos nos casos de estudo. Esta hipótese só pode ser considerada porque se trata de

um processo de comparação de várias soluções e porque o erro é reduzido (Tabela 14).

O comportamento modal do edifício é caracterizado pelas translações segundo os seus eixos

globais, dada a elevada mobilidade de massas nessas direcções (Figura 52). A direcção que

representa o modo fundamental da estrutura, é a direcção x, sendo esta a direcção de menor rigidez.

Numa primeira abordagem, este facto pode constituir uma dificuldade visto que as estruturas do

elevador possuem menor rigidez nessa direcção em virtude das aberturas para o acesso dos

elevadores.

Tabela 13- Principais modos de vibração do edifício modelo

Factor de participação da massa

Modo Período [s] Frequência

[Hz] Ux Uy ∑ Ux ∑ Uy

3 0.508 1.970 0.734 0.000 0.759 0.000

20 0.420 2.383 0.000 0.640 0.763 0.677

50 0.333 3.001 0.000 0.000 0.774 0.733

500 0.096 10.429 0.001 0.000 0.921 0.773

Os períodos de vibração das translações segundo x e y situam-se no patamar máximo do espectro

de resposta do sismo do tipo I, pelo que a adição de uma estrutura de reforço não vai aumentar a

acção sísmica para este tipo de sismo.

3º Modo de vibração Translação x

20º Modo de vibração Translação y

Figura 52- Principais configurações modais

62

Tabela 14- Forças de corte basal [KN]

Número de modos analisados

Sismo I Sismo II

direcção x direcção y direcção x direcção y

500 4595.17 4292.19 2807.40 3411.08

50 4541.48 4199.92 2701.78 3277.61

Diferença 1.17% 2.15% 3.76% 3.91%

Apenas se considera as forças de inércia do sismo tipo I, já que as forças do sismo II têm uma

amplitude bastante menor (ver Tabela 14).

Relativamente aos deslocamentos, verificou-se que a direcção x apresentou uma deformabilidade

superior à direcção y. Os deslocamentos para o Nó 1 e Nó 2 (Figura 53), apresentados na Tabela 15,

são correspondentes à combinação modal do sismo do tipo I para cada direcção.

Tabela 15- Deslocamentos máximos para Sismo I [cm]

As deformadas da fachada principal e da empena para o sismo do tipo I, encontram-se representadas na Figura 54.

Nó Direcção x Direcção y

Ux Uy Ux Uy

1 3,12 0,03 0,03 2,03

2 3,27 0,15 0,03 2,01

Nó 1

Nó 2

Figura 53- Piso superior do modelo- localização dos pontos/nós de análise

Figura 54- Deformadas para o sismo do tipo 1. À esquerda: fachada principal (alinhamento 1). À direita: empena (alinhamento A).

Direcção x Direcção y

63

Distribuição das forças sísmicas horizontais pelo EC8

A determinação das “Forças Laterais EC8” tem como objectivo avaliar a percentagem das forças

sísmicas absorvidas pelas estruturas de reforço e pelas paredes de alvenaria interiores e exteriores.

Na Tabela 18, apresenta-se a distribuição em percentagem das forças absorvidas pelas paredes

interiores e exteriores do edifício sem reforço.

O EC8 (CEN EC8-1, 2010), preconiza um método denominado por “método de análise por forças

laterais”, e estipula um sistema de forças estáticas que aplicadas ao nível dos pisos tenham efeitos

equivalentes à acção sísmica. Para determinar a intensidade dessas forças recorreu-se à seguinte

equação:

Equação 4

Em que:

- Força estática no piso i

- Força de corte basal

- Peso mobilizado do piso i

- Cota do piso i

Ao conjunto destas forças, deu-se o nome de “Forças Laterais EC8”.

Estas forças foram calculadas para o sismo do tipo I e os valores adoptados para as forças de corte

basal são de 4541.48 KN (direcção x) e de 4199.92 KN (direcção y). Na Tabela 16, estão

representados os valores deste conjunto de forças.

Tabela 16- Determinação das “Forças Laterais EC8”

Piso Mi [ton] Fi [KN]

direcção x Fi [KN]

direcção y

1 326.96 350.90 324.51

2 326.96 701.80 649.02

3 326.96 1052.70 973.53

4 326.96 1403.60 1298.03

5 192.41 1032.48 954.83

A quantificação do peso mobilizado do piso i foi realizada através da massa associada ao piso i e da

massa das paredes contabilizada a metade da altura das paredes superior e inferior.

Para validar este sistema de forças, comparou-se, através da Tabela 17, os deslocamentos deste

sistema com os deslocamentos anteriormente calculados para análise modal por espectro de

resposta.

64

Tabela 17- Comparação dos deslocamentos [cm] do Nó 1, obtidos pela análise por espectro de resposta de 50 modos de vibração e pela análise estática das “Forças Laterais EC8”

Direcção x Direcção y

Espectro de resposta (50 modos de vibração)

3,12 2,03

“Forças Laterais EC8” 3.16 2.02

Os deslocamentos apresentados pelo sistema “Forças Laterais EC8”, comparados com os resultados

da Tabela 15, são semelhantes, pelo que se optou por tomar estes resultados no presente trabalho.

Tabela 18- Distribuição das “Forças Laterais EC8” pelas paredes interiores e exteriores ao nível da base

Paredes Direcção x Direcção y

Exteriores 76,61% 82,32%

Interiores 23,39% 17,68%

4.6.4. EM1- Estrutura metálica 1

Esta estrutura localiza-se na caixa de escadas do edifício e a sua ligação ao mesmo é realizada

através do efeito de diafragma de piso, ou seja, a estrutura está ligada através das translações

horizontas do piso. Com a ligação adoptada, a estrutura de reforço só equilibra forças horizontais não

participando no equilibro de forças verticais associadas a cargas verticais.

A modelação da estrutura (Figura 55) consiste em elementos de “barra” rotulados nas extremidades

com excepção do plano das portas do elevador, em que a ligação entre barras dá continuidade à

rotação em relação ao eixo perpendicular do plano (eixo y). Esta modelação tem como objectivo a

criação de um comportamento similar ao tipo Vierendeel.

Como esperado, o comportamento modal (Tabela 19) deste modelo é idêntico ao do modelo sem

reforço, com um ligeiro aumento de rigidez. As massas têm, também, a mesma ordem de grandeza

que o edifício original.

Figura 55- Modelação da EM1 (representação esquemática)

65

As forças de corte basal do sismo do tipo I tomam os valores de 4545.17KN e de 4205.87KN na

direcção x e y, respectivamente. A diferença é reduzida comparada com o edifício original, visto que

a estrutura de reforço equilibra apenas 1.04% e 1.22% das “Forças Laterais EC8”.

Tabela 19- Principais modos de vibração do edifício reforçado com a estrutura EM1


Modo Período [s] Frequência

[Hz] Ux Uy ∑ Ux ∑ Uy

3 0.506 1.976 0.744 0.000 0.758 0.000

20 0.419 2.387 0.000 0.666 0.762 0.673

50 0.331 3.021 0.000 0.000 0.774 0.731


A estrutura EM2, como referido, é semelhante à estrutura EM1, com excepção da dimensão dos

perfis, da utilização de diagonais à compressão e da variação de espaçamento entre montantes. A

modelação seguiu os mesmos princípios da estrutura atrás apresentada.

Inicialmente, com o objectivo de criar uma estrutura suficientemente rígida, foi concebida uma

estrutura capaz de resistir às forças de inércia geradas pelo sismo do tipo I. O dimensionamento

desta estrutura gerou perfis de dimensões muito grandes e inexequíveis do ponto de vista

construtivo. Para agravar, esta estrutura possuía, ainda, uma rigidez inferior ao edifício modelo.

Posteriormente, foi avaliada a dimensão dos perfis através da comparação dos deslocamentos para

diferentes espaçamentos entre eixos de montantes. Por facilidade de cálculo, os deslocamentos

apresentados na Figura 56 e na Figura 57, são originados pelo sistema “Forças Laterais EC8”.

Obtiveram-se os seguintes gráficos, que têm como principais variáveis, a dimensão das secções e o

espaçamento entre montantes.

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

3.1

3.2

1 1.5 2 2.5

Deslo

cam

ento

Direcção x

[cm

]

Nó 1

Espaçamento entre cordas do elevador [m]

Edifício modelo EM1 150x150x10

EM2 350x350x12,5 400x400x20

Figura 56- Comparação de deslocamentos para as “Forças Laterais EC8” na direcção x.

66

Como expectável, o aumento das dimensões dos perfis e espaçamento dos montantes resultam

numa diminuição dos deslocamentos globais. A diminuição em resultado da variação do

espaçamento é mais notável quando os perfis são maiores e, dentro das estruturas analisadas,

compensa mais aumentar a dimensão das secções do que o espaçamento apesar da variação dos

perfis não ser da mesma ordem de grandeza do que a variação do aumento do espaçamento.

Das estruturas apresentadas, escolheu-se a estrutura EM2 para estudo, devido às suas dimensões

mais adequadas (em termos de execução) e ao bom comportamento face às acções laterais.

A introdução da estrutura de reforço aumenta a rigidez global do edifício, como se pode comprovar

através da diminuição dos períodos dos principais modos de vibração (Tabela 20). A consideração

de apenas 50 modos de vibração na análise tem implicação na diminuição da massa da estrutura

mobilizada e por conseguinte na diminuição da força de corte basal. Pode-se constatar que o

aumento de rigidez global da estrutura não aumenta a acção sísmica.

Tabela 20- Comportamento modal e força de corte basal para diferentes espaçamentos dos montantes da solução da EM2 introduzida no edifício

3.

T [s] Participação modal

acumulada modo 50 Força de corte basal [KN]

Translação x Translação y Σ Ux Σ Uy Direcção x Direcção y

Edifício Base 0.508 0.420 0.774 0.733 4541.48 4199.92

EM2- 1.50x1.50 0.489 0.410 0.757 0.709 4472.02 4082.78

EM2- 1.75x1.75 0.486 0.408 0.754 0.704 4456.03 4045.76

EM2- 2.00x2.00 0.484 0.407 0.752 0.701 4442.92 4012.73

EM2- 2.20x2.20 0.480 0.404 0.750 0.695 4433.52 3983.35

3 Nomenclatura das estruturas: EM2- espaçamento dos montantes (direcção x) [m] x espaçamento dos

montantes (direcção y) [m]

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Deslo

cam

ento

Direcção y

[cm

]

Nó 1

Espaçamento entre cordas do elevador [m]

Edifício modelo EM1 150x150x10

EM2 350x350x12,5 400x400x20

Figura 57- Comparação de deslocamentos para as “Forças Laterais EC8” na direcção y

67

Tabela 21- Distribuição das “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes do edifício reforçado com a estrutura EM2

4

Estrutura do Elevador Paredes Exteriores Paredes Interiores

Direcção x Direcção y Direcção x Direcção y Direcção x Direcção y

Edifício Base 0.00% 0.00% 76.61% 82.32% 23.39% 17.68%

EM2- 1.50x1.50 17.03% 17.68% 63.54% 67.73% 19.43% 14.59%

EM2- 1.75x1.75 19.14% 20.27% 61.92% 65.59% 18.94% 14.14%

EM2- 2.00x2.00 21.03% 22.49% 60.46% 63.77% 18.51% 13.74%

EM2- 2.20x2.20 21.82% 23.82% 59.85% 62.67% 18.33% 13.51%

A distribuição das forças pelas paredes resistentes diminuiu (Tabela 21), estando em conformidade

com o que foi previsto.

Relativamente aos deslocamentos, na Figura 58 é possível observar que a estrutura de elevador não

tem um comportamento de parede, visto existirem pontos de inflexão. Pode-se também afirmar que a

o edifício no seu todo tem um comportamento do tipo pórtico-parede.

Os deslocamentos observados na Tabela 22Tabela 23 são inferiores aos deslocamentos do modelo

sem reforço estrutural (Tabela 15), embora que as diferenças sejam pouco significativas.



Figura 58- Deformadas da estrutura de reforço EM2- 1.50x1.50: a) direcção x, plano do elevador; b) direcção x, plano contraventado; c) direcção y, plano contraventado

a) b) c)

68

Tabela 22- Deslocamentos elásticos do edifício+EM2 para a combinação modal do sismo tipo I [cm]5

Nó 1 Nó 2

Direcção x Direcção y Direcção x Direcção y

Ux Uy Ux Uy Ux Uy Ux Uy

Edifício Base 3.12 0.03 0.03 2.03 3.27 0.15 0.03 2.01

EM2- 1.50x1.50 2.91 0.03 0.03 1.90 3.08 0.17 0.03 1.88

EM2- 1.75x1.75 2.86 0.03 0.03 1.86 3.04 0.18 0.03 1.84

EM2- 2.00x2.00 2.82 0.03 0.03 1.81 3.01 0.20 0.03 1.79

EM2- 2.20x2.20 2.79 0.03 0.03 1.80 2.99 0.21 0.03 1.78


Esta estrutura integra as travessas do plano das portas do elevador, conectadas à alvenaria. Para

determinar a dimensão destas peças, foi criado um modelo com a estrutura de elevador EM2 isolada,

com 1.50m entre montantes e com as travessas ligadas à alvenaria, e foi analisada para a

distribuição “Forças Laterais EC8” na direcção x. Nesta fase, para simular a rigidez das paredes de

alvenaria criaram-se apoios que impedissem a translação vertical como se pode observar na

seguinte imagem.



0.00

3.40

6.80

10.20

13.60

17.00

0.00 0.50 1.00

Altura

[m

]

Deslocamentos relativo δ / δ(máx EM2)

EM2 1.50x1.50

IPE 180

IPE 200

IPE 220

IPE 240

IPE 300

IPE 360

Figura 59- Modelo de cálculo do plano das portas do elevador e gráfico dos deslocamentos em função da variação da dimensão das peças das travessas (para o nó central e para as “Forças

Laterais EC8”)

Nó central

69

Do gráfico apresentado na Figura 59, verifica-se que com o aumento da rigidez de flexão das

travessas, a estrutura apresenta um melhor comportamento e fica mais rígida no seu plano mais

débil. Para a continuação do estudo da EM3, escolheu-se o perfil IPE300, pois apresenta uma

redução significativa face ao deslocamento obtido para a estrutura EM2.

A ligação da estrutura de reforço às paredes de alvenaria foi realizada através da compatibilização

da malha de elementos finitos. A materialização desta ligação, pode ser feita através de elementos

metálicos nas paredes, com o objectivo de degradar a carga para a alvenaria.

Foram, novamente, testados os quatro espaçamentos entre montantes e analisada a estrutura do

elevador induzida no edifício tipo para a combinação modal do sismo do tipo I (Tabela 23).

Tabela 23- Comportamento modal e força de corte basal para diferentes espaçamentos entre montantes da EM3 no edifício

6

T [s] Participação modal acumulada modo 50

Força de corte basal [KN]

Translação x Translação y Σ Ux Σ Uy Direcção x Direcção y

Edifício Base 0.508 0.420 0.774 0.733 4541.48 4199.92

EM3- 1.50x1.50 0.488 0.410 0.757 0.709 4535.84 4032.46

EM3- 1.75x1.75 0.484 0.408 0.754 0.704 4475.68 4019.47

EM3- 2.00x2.00 0.482 0.406 0.752 0.700 4463.78 4009.76

EM3- 2.20x2.20 0.478 0.404 0.750 0.695 4454.20 3982.18

Comparando os resultados desta estrutura com os da EM2, é possível observar que a direcção x

apresenta mais rigidez, embora esse aumento não seja significativo. Relativamente aos

deslocamentos a estrutura EM3, apresenta resultados muito idênticos à estrutura EM2 e a influência

da viga de reforço não se traduz em resultados consideráveis (ver Figura 60). Era espectável que a

torção do edifício para movimentos na direcção x fosse reduzida, mas como é possível observar na

Tabela 24, os deslocamentos na direcção y do nó 2 ficam praticamente inalterados.

Tabela 24- Deslocamentos elásticos da EM3 + edifício modelo para a combinação modal do sismo tipo I

[cm] 6

Nó 1- Direcção x Nó 1- Direcção y Nó 2- Direcção x Nó 2- Direcção y

Ux Uy Ux Uy Ux Uy Ux Uy

Edificio Base 3.12 0.03 0.03 2.03 3.27 0.15 0.03 2.01

EM3- 1.50x1.50 2.90 0.03 0.02 1.89 3.06 0.17 0.02 1.87

EM3- 1.75x1.75 2.85 0.03 0.02 1.86 3.02 0.18 0.02 1.84

EM3- 2.00x2.00 2.82 0.02 0.02 1.84 3.00 0.19 0.02 1.82

EM3- 2.20x2.20 2.78 0.02 0.02 1.79 2.97 0.21 0.02 1.77



70


Esta estrutura integra os montantes em betão envolvidos em perfis de aço. Estes elementos foram

modelados como barras com comportamento axial e em flexão, no plano das portas do elevador. O

comportamento dos montantes difere consoante o sinal do seu esforço axial. Assim, admitiu-se que

quando este está à tracção, apenas se considera o aço como elemento resistente e quando o

montante é solicitado a esforços de compressão, considera-se o comportamento conjunto do aço e

betão estrutural. Com este efeito os montantes passam a possuir mais rigidez à compressão do que

à tracção e o diagrama de comportamento é expresso na Figura 61.

2.75

2.80

2.85

2.90

2.95

3.00

3.05

3.10

3.15

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

Deslo

cam

ento

da e

str

utu

ra [

cm

] N

ó 1

Espaçamento entre montantes da estrutura [m]

Edifíciomodelo

EM2

EM3

Figura 60- Deslocamentos no nó 1 para a combinação modal sismo I, direcção x

N

δ

𝐸𝐴𝑡𝑟𝑎𝑐çã𝑜

𝐸𝐴𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜

Figura 61- Diagrama de comportamento axial dos montantes

71

A determinação das diferentes rigidezes axial foi realizada da seguinte forma e de acordo com o EC4

(CEN EC4-1, 2004).

çã ç ç

Equação 5

ã ç ç ã ã Equação 6

Em que:

ç - Módulo de elasticidade do aço

ç - Área de aço da secção

ã – Módulo de elasticidade do betão

ã – Área de betão

A rigidez de flexão dos montantes foi obtida através das expressões seguintes. Note que só foi

calculada e considerada a rigidez de flexão no plano das portas do elevador, visto que apenas existe

flexão nesse plano.

çã ç ç

Equação 7

ã ç ç ã ã Equação 8

ç – Inércia da secção de aço

ã - Inércia da secção de betão

- Factor correctivo (EC4)

Por simplicidade de cálculo, não foram considerados os efeitos de fluência no cálculo do módulo de

elasticidade do betão e considerou-se que as armaduras longitudinais têm o mesmo módulo de

elasticidade que o aço convencional.

Relativamente ao tipo de análise, esta solução apenas é estudada através de uma análise estática

para as “Forças Laterais EC8”. Não se considerou a análise modal com o comportamento elástico

referido, pois é um processo difícil e requer meios de cálculo mais exigentes.

Tabela 25- Deslocamentos do nó 1 para as “Forças Laterais EC8” na estrutura EM4 integrada no edifício modelo

1.50x1.50 1.75x1.75 2.00x2.00 2.20x2.20

Direcção x Direcção y Direcção x Direcção y Direcção x Direcção y Direcção x Direcção y

EM4 2.94 1.82 2.88 1.79 2.83 1.77 2.80 1.75

EM2 2.96 1.92 2.92 1.86 2.88 1.87 2.85 1.85

Através da Tabela 25, que representa os deslocamentos no nó 1 (ver Figura 53), é possível concluir

que a estrutura tem um melhor comportamento, com a redução de deslocamentos, que se deve ao

aumento da secção resistente dos montantes.

72


A estrutura EM5 inclui, como referido, duas estruturas metálicas, a interior e a exterior. A modelação

desta é idêntica à estrutura EM2. A ligação ao edifício é realizada ao nível do piso e não é

considerada qualquer ligação à estrutura de alvenaria.

A estrutura possui mais rigidez à custa do aumento de elementos resistentes e do aumento do braço

das treliças. Este aumento de rigidez é visível através da diminuição do período dos modos de

vibração, gerando assim menores deslocamentos (Tabela 26).

Tabela 26- Principais modos de vibração da EM5 no edifício modelo


Modo Período [s] Frequência [Hz] Ux Uy ∑ Ux ∑ Uy

3 0.458 2.181 0.708 0.000 0.712 0.000

14 0.401 2.491 0.000 0.187 0.718 0.191

22 0.393 2.542 0.000 0.344 0.721 0.593

27 0.375 2.665 0.000 0.049 0.721 0.643

50 0.331 3.021 0.000 0.000 0.736 0.682

Comparando o edifício sem reforço com esta solução, verifica-se no modo de translação segundo x

(modo 3) que existe um aumento de frequência de 9.49%. Os modos 22 e 27 representam a

translação segundo o eixo y e possuem mais rigidez face ao modo 20 do edifício isolado. A

percentagem acumulada de massa nas duas direcções principais no modo 50 é ligeiramente inferior

face à estrutura sem reforço.

A força de corte gerada pela combinação modal é de 4342.00 KN e 3895,07 KN para a direcção x e

y, respectivamente, o que representa uma redução de 4.39% na direcção x e 7.26% na direcção y

comparado com o edifício modelo. Esta redução é devido à menor contabilização da massa nos

modos de vibração e consideração de acelerações menores no espectro de resposta. Esta

comparação é discutível, pois o número de modos analisados devia de ter sido de maneira a que a

participação de massas fosse idêntica em todas as análises.

Figura 62- Deslocamentos devido ao sismo do tipo I na direcção x (à esquerda) e direcção y (à direita) para a estrutura EM5 integrada no edifício modelo

Nó 1 Nó 1

73

A configuração da deformada da estrutura de reforço pode ser consultada na Figura 62 e apresenta

uma configuração idêntica à estrutura EM2 (Figura 58). Relativamente aos deslocamentos, como era

esperado, esta solução apresenta menores deslocamentos nas duas direcções (ver Tabela 27).

Sendo que para o nó 1 (ver Figura 53) esta estrutura apresenta uma redução de 20.09% na direcção

x e 15.62% na direcção oposta.

Tabela 27- Deslocamentos devido à combinação modal para o sismo tipo I para a estrutura EM5 integrada no edifício modelo [cm]

Foi realizada uma análise elástica para a distribuição “Forças Laterais EC8”, a fim de estudar a

repartição de cargas pelas paredes e elevadores. Constatou-se que a estrutura de elevador absorvia

30.98% da força basal na direcção x e 29.50% na direcção y.

4.6.9. EBA- Estrutura de betão armado

A modelação do núcleo de betão foi realizada através de elementos barra, possuindo um

comportamento coluna-viga. Para a compatibilidade de deslocamentos entre o núcleo e a malha de

elementos finitos utilizou-se uma estrutura fictícia, composta por elementos lineares de elevada

inércia e rigidez axial. A fundação adoptada para esta estrutura foi realizada através da restrição de

translações e rotações ao nível da base.

O efeito da fendilhação do betão ao nível da secção foi tido em conta através da redução do módulo

de elasticidade em 50%. A consideração deste valor é discutível e por simplicidade foi adoptado o

valor recomendado pelo EC8 (CEN EC8-1, 2010).

Tabela 28- Principais modos de vibração da estrutura EBA integrada no edifício modelo


Modo Período [s] Frequência [Hz] Ux Uy ∑ Ux ∑ Uy

3 0.49 2.06 0.72 0.00 0.73 0.00

16 0.41 2.42 0.00 0.62 0.73 0.62

50 0.33 3.02 0.00 0.00 0.75 0.71


Ux Uy Ux Uy

1 2.493 0.034 0.031 1.713

2 2.753 0.275 0.032 1.695

74

A estrutura do edifício modelo reforçado pela estrutura EBA registou um aumento de rigidez global

constatável nas frequências dos modos de vibração apresentados (Tabela 28). Os valores de massa

acumulada nos 50 modos possuem a mesma ordem de grandeza do que o edifício sem reforço. A

força de corte correspondente ao sismo tipo I toma o valor de 4501,49 KN para a direcção x e

4181,44 KN para a direcção y, em que 25.78% e 20.36% dessas forças são suportadas pela

estrutura de betão armado, nas direcções x e y, respectivamente.

A estrutura do edifício modelo reforçado pela estrutura EBA apresenta deslocamentos reduzidos face

à estrutura sem reforço (Tabela 29).

Tabela 29- Deslocamentos devido à combinação modal para o sismo tipo I da EBA integrada no edifício modelo [cm]

4.6.10. Comparação de resultados

Os resultados da implementação das estruturas de elevadores EM1 a EM5 e EBA foram

apresentados de forma individual para cada tipo de estrutura. Apresentou-se o comportamento modal

do edifício, os valores das forças de corte basal, os deslocamentos e ainda a distribuição (elástica)

das forças horizontais pelos elementos resistentes.

No presente parágrafo, faz-se uma avaliação comparativa entre os efeitos das estruturas EM2, EM5

e EBA. A estrutura EM1 não é analisada nesta comparação devido à sua baixa influência no

comportamento do edifício. As estruturas EM3 e EM4 são, em geral, alternativas à EM2 e

apresentam melhorias de reduzida significância pelo que não são contabilizadas.

Relativamente aos modos de vibração, é possível observar um aumento global de rigidez do edifício

em todas as soluções de reforço. Mesmo sendo as estruturas de elevadores mais flexíveis na

direcção x, o aumento percentual mais significativo é nesta direcção, devido à escassa rigidez do

edifício nessa direcção.

Como é possível observar na Figura 63, a estrutura que introduz mais rigidez no edifício é a estrutura

EM5. A variação das distâncias entre montantes da estrutura EM2 tem efeitos pouco significativos no

comportamento modal do edifício. A estrutura de betão armado apresenta resultados semelhantes à

EM2.


Ux Uy Ux Uy

1 2.88 0.04 0.03 1.94

2 3.02 0.14 0.03 1.92

75

Como referido, o modo fundamental de vibração do edificio encontra-se no patamar máximo do

espectro de resposta, pelo que a força de corte basal só pode diminuir com o aumento de rigidez.

Este facto é visível no gráfico da Figura 64 que compara as forças de corte das estruturas para as

duas direcções principais.

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

Translação X Translação Y

Fre

quência

[H

z]

Edificio Base

EM2- 1,50x1,50

EM2- 1,75x1,75

EM2- 2,00x2,00

EM2- 2,20x2,20

EM5

EBA

Figura 63- Frequências próprias dos principais modos de vibração

3400.00

3600.00

3800.00

4000.00

4200.00

4400.00

4600.00

Direcção X Direcção Y

Forç

a [K

N]

Edificio Base

EM2- 1,50x1,50

EM2- 1,75x1,75

EM2- 2,00x2,00

EM2- 2,20x2,20

EM5

EBA

Figura 64- Forças de corte basal para as duas direcções principais

76

A distribuição elástica do conjunto “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes pode ser

comparada consoante as estruturas de elevador nos diagramas da Figura 65 e Figura 66. Também

neste caso, a estrutura EM5 apresenta melhores resultados, pois consegue uma maior diminuição do

esforço actuante nas paredes. Apesar do edifício com a estrutura de elevador EBA possuir períodos

de vibração menores que o edifício reforçado com a estrutura EM2 com um afastamento de 2.20m, a

percentagem de forças absorvidas pela estrutura EBA é mais notável.

21%

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

EdificioBase

EM2- 1,50 EM2- 1,75 EM2- 2,00 EM2- 2,20 EM5 EBA

Forç

a [K

N]

Paredes Exteriores Paredes Interiores Est. Elevador

23%

77%

17%

19%

64%

19%

62%

19%

21%

60%

19%

22%

18%

60%

31%

16%

53%

26%

17%

57%

Figura 65- Distribuição do conjunto de “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes ao nível da base na direcção x

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

EdificioBase

EM2- 1,50 EM2- 1,75 EM2- 2,00 EM2- 2,20 EM5 EBA

Forç

a [K

N]

Paredes Exteriores Paredes Interiores Est. Elevador

18%

82%

18%

15%

68%

20%

66%

14%

22%

64%

14%

24%

14%

63%

29%

13%

58%

21%

14%

65%

Figura 66- Distribuição do conjunto de “Forças Laterais EC8” pelos elementos resistentes ao nível da base na direcção y

77

Os gráficos da Figura 67 expressam a influência das estruturas de reforço no comportamento

estrutural do edifício e é possível concluir que apresentam reduções significativas.

4.6.11. Verificação de segurança

Nesta secção faz-se uma verificação simplificada da segurança das componentes de alvenaria e das

estruturas de elevador. As estruturas de elevadores avaliadas são a estruturas metálica EM2 e EM5

e a estrutura de betão armado EBA. Como referido, esta verificação será feita de acordo com a

norma italiana (OPCM 3274, 2003) e Europeia (CEN EC8-1, 2010), nesta fase, o que distingue as

normas é o valor do coeficiente de comportamento que se considera de 3.00 para a norma Italiana e

1.50 para a norma Europeia.

Numa primeira abordagem, verificou-se a segurança das paredes no seu plano, a um nível global,

avaliando a sua capacidade resistente segundo o critério de Mohr-Coulomb. Considerando a parcela

da coesão, é possível determinar a força de corte resistente que resulta do produto das forças

verticais da combinação quase permanente de acções pela tangente do ângulo de atrito.

Na Tabela 30, é possível concluir que a estrutura de alvenaria verifica com sucesso o critério

mencionado, tendo capacidade suficiente de redistribuição de esforços.

0

3.4

6.8

10.2

13.6

17

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Deslocamento x [cm]

Edificio Base EM2- 1,50x1,50 EM2- 1,75x1,75 EM2- 2,00x2,00

EM2- 2,20x2,20 EM5 EBA

0

3.4

6.8

10.2

13.6

17

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Deslocamento y [cm]

Cota [m] Cota [m]

Figura 67- Comparação dos deslocamentos da prumada do Nó 2 (ver Figura 53) para as direcções principais da combinação modal para o sismo do tipo I

78

Tabela 30- Verificação de segurança global para o edifício modelo

Ved- Direcção X

[KN] Ved- Direcção Y

[KN] N [KN] tang (ϕ) Vrd [KN]

OPCM 1513.83 1399.97 15781.01 0.23 3682.24

EC 3027,65 2799,94

De referir que esta análise simplificada não significa que o edifício no seu estado original suporte em

segurança a acção sísmica regulamentar. De facto, uma análise mais detalhada, como se fará de

seguida, mostra que haverá roturas locais que poderão conduzir ao colapso do edifício.

Relativamente ao comportamento isolado das paredes no seu próprio plano, foram calculadas as

forças verticais para cada parede dos alinhamentos mencionados anteriormente e calculou-se a força

de corte resistente. Para o cálculo da força vertical actuante, admitiu-se que a estrutura de elevador

não absorvia cargas verticais.

Como expectável da análise de deslocamentos e modos de vibração (Tabela 31), a estrutura tem

mais capacidade resistente na direcção das empenas do que na direcção das fachadas, devido à

maior dimensão das empenas e das forças verticais actuantes.

Tabela 31- Força de corte resistente para os alinhamentos de parede [KN]

Fachada 1 Empena A Interior 4 Interior B

Base 989.67 1124.42 200.84 177.24

1º Piso 762.04 965.39 170.12 146.26

2º Piso 646.66 802.10 142.12 119.77

3º Piso 512.92 636.00 115.12 95.29

4º Piso 378.32 467.92 89.22 72.18

Com o objectivo de apresentar simplificadamente os níveis de segurança das paredes estão sujeitas,

foi traçado o gráfico seguinte em que mostra o rácio máximo entre esforço de corte actuante e

resistente, para as normas italiana e europeia e para os materiais com e sem coeficiente de

minoração e confiança. Como estes coeficientes, dependem do tipo de conhecimento do edifício,

optou-se por não englobar estes parâmetros na análise comparativa.

As paredes exteriores são bastante penalizadas pela análise segundo o EC8 (CEN EC8-1, 2010). A

parede da fachada (Figura 68), segundo esta norma, não verifica a segurança, sendo o seu melhor

comportamento para a estrutura EM5 (estrutura metálica interior+exterior). Na parede de empena

(Figura 69), o critério de segurança Mohr-Coulomb só não é verificado para o edifício sem reforço e

para o edifício com a estrutura EBA, visto que nos restantes casos a estrutura de elevador já é capaz

de produzir o efeito pretendido. No entanto, para a análise segundo a norma italiana, as paredes

exteriores já cumprem a verificação da força de corte resistente, devido à diminuição da força de

corte actuante. A utilização do factor de confiança unitário e da não minoração na resistência dos

materiais não é suficiente para que a segurança seja satisfeita, pelo que uma inspecção mais

sofisticada e exigente pode ser benéfica, mas não suficiente para essa verificação.

79

Relativamente às paredes interiores, conclui-se da avaliação da Figura 70 e da Figura 71, que a

parede do alinhamento 4 é uma parede importante, e que está muito solicitada, em relação à sua

capacidade resistente, não cumprindo a verificação da segurança para as duas normas

consideradas. A parede interior da direcção y encontra-se pouco solicitada, visto que as empenas e a

estrutura de reforço absorvem uma parte considerável da acção sísmica nesta direcção.

O efeito do reforço das estruturas de elevador torna-se importante, pois consegue-se, nalguns casos

uma diminuição da força actuante nas paredes. O efeito do reforço é mais visível na direcção x, visto

que o edifício possui maior flexibilidade nessa direcção.

64

%

60

%

60

%

59

%

59

%

59

%

54

%

12

7%

12

1%

11

9%

11

8%

11

7%

11

9%

10

8%

26

%

25

%

25

%

24

%

24

%

25

%

23

%

92

%

10

2%

10

3%

10

3%

10

3%

10

9%

10

2%

Edifício modelo EM2- 1,50 EM2- 1,75 EM2- 2,00 EM2- 2,20 EBA EM5

OPCM 3274 EC8 OPCM 3274 Sem Coef. Minoração EC8 Sem coef. Minoração

Figura 68- Rácio entre a força de corte actuante e a resistente na parede da fachada principal, alinhamento 1

100%

52

%

50

%

50

%

49

%

49

%

51

%

47

%

10

4%

10

1%

10

0%

98

%

97

%

10

1%

94

%

22

%

21

%

21

%

20

%

20

%

21

%

20

%

73

%

72

%

72

%

74

%

75

%

72

%

78

%



100%

Figura 69- Rácio entre a força de corte actuante e a resistente na parede empena, alinhamento A

80

As verificações das estruturas de reforço metálicas foram realizadas através da comparação das

forças actuantes com as forças resistentes segundo EC3 (CEN EC3, 2010). Por simplificação,

apenas foram comparadas as forças axiais de compressão e tracção através da seguinte

comparação:

O valor de foi obtido através do produto da tensão de cedência do aço (que no presente caso

tomam o valor de 235 MPa), pela área da secção nominal. Não se considerou a verificação das

11

8%

11

0%

10

8%

10

6%

10

5%

10

9%

94

%

23

6%

22

0%

21

7%

21

3%

21

1%

21

8%

18

8%

49

%

46

%

45

%

44

%

44

%

45

%

39

%

14

1%

13

2%

13

0%

12

7%

12

6%

13

1%

11

5%



Figura 70- Rácio entre a força de corte actuante e resistente na parede interior, alinhamento 4

100%

46

%

44

%

44

%

43

%

43

%

44

%

42

%

91

%

89

%

87

%

86

%

85

%

89

%

83

%

19

%

18

%

18

%

18

%

18

%

19

%

17

%

55

%

54

%

54

%

54

%

54

%

54

%

54

%



100%

Figura 71- Rácio entre a força de corte actuante e resistente na parede interior, alinhamento B

81

secções das travessas, devido à modelação do piso como elemento rígido no próprio plano. Numa

fase posterior do estudo, será necessário ter em consideração este aspecto.

Foi verificado que os elementos das estruturas de elevadores se encontravam em regime elástico,

pelo que não se utilizou um coeficiente de comportamento nas suas análises.

Nos diagramas anteriores (Figura 72 e Figura 73), é possível concluir que as estruturas de

elevadores estão sobredimensionadas em termos de esforços resistentes, possuindo uma reserva

significativa para acomodar esforços. No entanto, é pretendido que essas estruturas sejam

suficientemente rígidas para absorverem esforços, o que só é possível com elementos robustos.

Relativamente à verificação de segurança e dimensionamento da estrutura de betão armado não é

realizada nenhuma verificação.

42% 45% 47% 49%

43%

22% 30% 31% 31%

38%

EM2- 1,50 EM2- 1,75 EM2- 2,00 EM2- 2,20 EM5

Montantes Diagonais

Figura 72- Rácio máximo entre a força axial actuante e resistente das estruturas de reforço na direcção X

100%

30% 32% 33% 34%

31%

15% 15% 16% 16% 19%

EM2- 1,50 EM2- 1,75 EM2- 2,00 EM2- 2,20 EM5

Montantes Diagonais

100%

Figura 73- Rácio máximo entre a força axial actuante e resistente das estruturas de reforço na direcção Y

82

4.6.12. Facilidade de implementação

Realizada a avaliação estrutural segundo os critérios definidos, discutem-se neste parágrafo

aspectos de implementação da estrutura de reforço no edifício em causa.

A estrutura metálica EM1 é uma solução que exige perfis de menor dimensão pelo que a sua

implementação é menos trabalhosa, em termos de transporte e aplicação. A estrutura EM2 depende

da dimensão da bomba de escadas e é uma solução que pode gerar menos impacto ao nível de

demolições no edifício original.

A estrutura EM3 é uma solução que requer mais trabalho, pois a implementação dos perfis na

alvenaria leva a aberturas nas paredes e adaptações do patamar de escadas, originando ruídos e

perturbação na utilização do edifício.

A utilização de betão armado na solução EM4, requer ainda mais meios, para produção, transporte e

betonagem de betão, o que pode levar a certos condicionalismos na utilização do edifício.

A estrutura metálica EM 5 requer uma reformulação mais exigente na caixa de escadas. A instalação

desta estrutura pode levar a perturbações na utilização do edifício, já que necessita de uma

intervenção nas escadas. Apesar de não ter sido considerado, podem existir ligações dos montantes

e travessas às paredes da alvenaria, exigindo mais trabalhos ao nível de instalação.

A estrutura de betão armado EBA é a estrutura mais exigente em termos de execução, pois

necessita de uma quantidade de material considerável. O processo de execução de estruturas de

betão armado exige mais processos de construção comparados com as soluções de estrutura

metálica.

Uma vantagem das estruturas de aço consiste no processo de desmontagem, caso se pretenda

demolir um edifício. Já a estrutura de betão requer meios mais complexos e onerosos.

A concepção do tipo de ligações entre peças metálicas e entre a estrutura e o edifício é de elevada

importância, visto ter um impacto elevado na execução da estrutura. No presente trabalho, por

razões de simplicidade, não se estudou este aspecto.

83

5. Estudo sísmico de um edifício gaioleiro reforçado

O presente capítulo aborda a implantação de uma estrutura de elevador num edifício gaioleiro da

cidade de Lisboa. Este edifício, localiza-se na zona do Marquês de Pombal (Figura 74) e apresenta

as características típicas dos edifícios desta tipologia.

A estrutura do elevador tem como objectivo o suporte do próprio elevador, bem como, o reforço

estrutural do edifício para solicitações sísmicas. Esta estrutura é constituída por peças metálicas

lineares, definindo uma estrutura tridimensional composta por pórticos planos.

Também é estudada uma solução de reforço estrutural implementado na zona do saguão, em betão

armado projectado sobre as paredes, numa camada de 10 cm de espessura.

Para estudar o desempenho sísmico das estruturas de reforço foi criado um modelo tridimensional de

elementos finitos através do software de cálculo SAP2000™ e foi realizada uma análise elástica de

1ª ordem, com modelação do comportamento não linear da alvenaria através do coeficiente de

comportamento (que se considerou de 1.50).

No estudo adoptou-se a propriedade de diafragma rígido nos pisos, o que obriga à definição duma

intervenção de reforço dos pavimentos, o que não foi feito neste estudo. No entanto, posteriormente

à análise do edifício, fez-se referência a uma medida de reforço de pavimento, através da utilização

de perfis de aço dispostos horizontalmente e foram discutidos aspectos de viabilidade técnico-

económica.

É de realçar que a modelação do edifício de alvenaria do presente trabalho foi adaptada da

dissertação de João Monteiro (Monteiro J. , 2012).

Figura 74- Localização do edifício em causa (Monteiro J. , 2012)

84

5.1. Generalidades

A modelação estrutural (Figura 76) segue os mesmos princípios do capítulo anterior, pelo que se

realiza uma breve síntese e são enunciados os parâmetros que diferem do caso anterior.

Relativamente às características construtivas, o edifício em estudo apresenta uma planta rectangular

com dimensões exteriores de 23.95m e 15.70m que formam as paredes das empenas (direcção y) e

das fachadas (direcção x), respectivamente. As empenas apresentam menos aberturas face às

paredes de fachada. O edifício possui 5 pisos elevados, com alturas entre pisos diferentes. As

empenas e fachadas ao longo da altura do edifício têm espessuras de 60cm e 70cm,

respectivamente.

P. 6

Figura 75- Planta do piso tipo e alinhamentos das paredes a analisar. As setas representam a orientação das vigas primárias do pavimento

P. A

P. B

P

. C

P. D

P. 5

P. 4

P. 3

P. 2

P. 1

Caixa de

escadas

Saguão

85

Como se pode observar na Figura 75, na parte superior da planta encontra-se o saguão, que é

limitado por paredes de alvenaria de pedra de 30cm.

O presente edifício conserva as principais propriedades dos edifícios gaioleiros, possuindo paredes

exteriores de alvenaria de pedra ordinária, com pedra calcária aglomerada e argamassa de cal

aérea. Admitiu-se que as paredes interiores eram constituídas por paredes de tijolo cerâmico com

espessuras de 15 e 10 cm. Os pavimentos do edifício são constituídos por pranchas de madeira

assentes em vigas de madeira.

Neste capítulo analisou-se o edifício através do método de elementos finitos, com a alvenaria e os

pavimentos de madeira modelados através de elementos de área (shell). Já os elementos lineares

das estruturas de reforço foram modelados através de elementos de barra (frame). (Computers &

Structures Inc, 2011).

A análise sísmica adoptada foi do tipo linear, por espectro de resposta, sendo que a modelação do

comportamento não linear dos elementos de alvenaria foi realizada através do coeficiente de

comportamento. No capítulo anterior estudou-se os valores a adoptar para este coeficiente, tendo-se

concluindo que segundo a norma italiana este tinha um valor maior, tirando assim mais partido da

“ductilidade” da alvenaria. Na opinião do autor, este valor é muito elevado, tendo-se adoptado assim

o valor da norma europeia (CEN EC8-3, 2005) que corresponde ao valor de 1.50.

A consideração da fendilhação da secção foi realizada pela redução do módulo de elasticidade

efectivo.

ç

ã

Foi considerada a propriedade de diafragma rígido para obter uma melhor distribuição de forças

pelos elementos resistentes, e por conseguinte, mais efeito da utilização do reforço. Numa fase

posterior do estudo, será necessário dimensionar mecanismos capazes de criar este efeito. No

entanto, esse estudo não foi realizado na presente dissertação.

Relativamente às solicitações da estrutura, adoptou-se o mesmo conjunto de acções verticais e o

mesmo espectro de resposta do capítulo 4, por forma a cumprir com a localização do edifício em

estudo.

86

A determinação dos esforços resistentes da alvenaria seguiu o modelo de Mohr-Coulomb, sendo

necessário caracterizar os materiais através da sua coesão “Cu” e da tangente do ângulo de atrito

“tang (ϕ)”. Os valores dos parâmetros referidos foram de 0.033 MPa e de 0.233, respectivamente.

Estes valores são valores de dimensionamento, pelo que são comparados directamente com os

esforços de dimensionamento obtidos da análise.

Os deslocamentos são comparados consoante o reforço utilizado. Os pontos de análise encontram-

se representados na Figura 76 e correspondem às prumadas de canto do edifício.

Relativamente ao tipo de fundações, será necessário fazer um estudo sobre as características das

mesmas. Estas dependem de inúmeros factores, com destaque à resistência do terreno e ao espaço

disponível no edificado. Na modelação destas utilizou-se condições de fronteira bloqueando todas as

translações existentes ao nível da base.

5.2. Concepção dos elementos de reforço

Numa primeira abordagem é possível admitir que o edifício apresenta uma maior rigidez na direcção

y, devido à sua maior dimensão nessa direcção e, ainda, devido à pouca quantidade de aberturas

nas empenas. Aquando da solicitação do sismo, é possível que exista uma maior vulnerabilidade na

menor direcção do edifício, sendo expectável que o edifício necessite de mais reforço nesta direcção.

A existência de uma abertura nas escadas faz com que suscite a instalação de uma estrutura de

elevadores para suporte de um elevador e, aproveitando uma eventual capacidade de resistência

desta estrutura, será possível tentar tirar proveito desta estrutura para fins estruturais do edifício.

x

y

Nó 1

Nó 2

Figura 76- Perspectiva do edifício modelado e modelação da planta de um piso tipo. Localização dos eixos e pontos a estudar

87

De acordo com o capítulo anterior, onde foram estudadas diversos tipos de estruturas de elevador,

chegou-se à conclusão de que o tipo de estrutura mais eficiente no comportamento sísmico estudado

era a estrutura metálica EM5. Esta estrutura é constituída por dois módulos, uma estrutura metálica

“interior” que envolve o elevador e uma outra estrutura metálica “exterior” que envolve as escadas e

o elevador. Ambas são do tipo tridimensional, compostas por pórticos planos contraventados, com

excepção do plano das portas do elevador e da passagem pelas escadas. Esta solução,

comparativamente com as soluções estudadas, utiliza uma maior quantidade de aço e do ponto de

vista de impactos construtivos no edifício é bastante exigente por requer a remodelação do espaço

das escadas.

Embora as desvantagens da estrutura EM5 sejam penalizadoras do ponto de vista construtivo e

económico, foi essa a estrutura escolhida para o presente estudo, devido ao seu bom

comportamento estrutural.

A caixa de escadas e as respectivas condicionantes são semelhantes às do edifício modelo do

capítulo anterior, pelo que a estrutura possuí afastamentos e dimensões idênticas.

Os perfis escolhidos para a estrutura de elevador são do tipo HEB para as travessas e para os

montantes. A escolha destes perfis é devida à facilidade construtiva dos mesmos no que se refere a

aspectos de ligação entre os mesmos. Devido à sua geometria, os perfis em HEB possuem uma

maior facilidade na execução de ligações através de parafusos. Estes aspectos são importantes,

dada a falta de espaço na reabilitação de edifícios deste tipo. Existe um aspecto, também, importante

que é a necessidade de passagem de cabos de electricidade e de telecomunicações pela zona das

escadas e com a utilização destes perfis, a passagem de cabos pode ser facilitada.

As diagonais são do tipo tubulares, de secção de circular, e para facilitar a montagem e

pormenorização apenas se adoptou o contraventamento em forma de “cruz” nos planos da direcção

x. O contraventamento nos restantes planos é definido apenas por uma diagonal, ficando uma treliça

do tipo Pratt. Na Figura 77 é possível observar um esquema tridimensional da estrutura.

Figura 77- Representação tridimensional da estrutura de reforço. a) Estrutura total. b) Estrutura interior. c)

Estrutura exterior

a) b) c)

88

Os perfis escolhidos para as travessas são do tipo HEB140, com excepção das travessas do plano

das portas do elevador, que são do tipo IPE300. Os montantes são do tipo HEB200 para a estrutura

exterior e para a estrutura interior são do tipo HEB160 no plano das portas e HEB140 nos restantes.

As diagonais em forma de cruz da estrutura exterior são do tipo CHS219.10 (na direcção x) e

CHS168.30 na direcção y, ambas com espessura de 12.50mm. Relativamente às diagonais da

estrutura interior, são CHS 139.70 com espessura de 10mm.

As posições das peças metálicas e as características das escadas e bomba de escadas podem ser

consultadas na Figura 78.

Neste estudo apenas se estuda a ligação da estrutura ao nível do piso. Esta ligação é modelada

através da implementação da ferramenta “constraint” que o programa SAP2000™ oferece. Esta

modelação não permite deslocamentos relativos e deformações no plano horizontal do piso,

fornecendo assim a propriedade de diafragma indeformável.

Como referido, devido à localização não central da estrutura de elevador, podendo gerar mais torção

no edifício, foi admitido outro reforço. Este outro reforço, no saguão, serve para compensar a

assimetria da estrutura e é uma parede de betão armado (Figura 79). Para criar esta solução, o

betão é projectado na parede de alvenaria e ligado à mesma através de pregagens, aumentado

assim a espessura dessa parede, com uma camada de betão de 10cm.

Este reforço aumentará a resistência do edifício, contribuindo assim para uma maior segurança. A

instalação deste elemento vai também aumentar a rigidez global da estrutura.

Figura 78- Planta da estrutura de elevador adoptada. [m]

89

As paredes de betão no saguão são modeladas através da modificação dos elementos de área que

simulam estas paredes. Assim, cria-se uma espessura equivalente do material “betão” capaz de

simular o efeito conjunto:

ã ã ã

Equação 9

Para quantificar o peso específico deste material também foi realizada uma relação semelhante à

anterior:

ã ã

Equação 10

5.3. Análise de resultados

Neste parágrafo são apresentados e discutidos os resultados do estudo do modelo estrutural.

Apresentando-se as seguintes fases de estudo:

1. Edifício- modelo do edifício isolado sem qualquer tipo de reforço;

2. Edifício + elevador- edifício com o reforço da estrutura de elevadores;

3. Edifício + elevador + saguão- edifício com os dois reforços enunciados anteriormente.

5.4.1. Comportamento modal

Com a adição de estruturas resistentes à estrutura original, pode-se confirmar um aumento de rigidez

global. Este aumento é visível no aumento da frequência da estrutura. Como era de esperar, a

estrutura apresenta um comportamento mais rígido na direcção y, tendo frequências de vibração

mais altas que na direcção oposta. Na Tabela 32 e na Figura 80, é possível observar os parâmetros

dos principais modos de vibração.

Figura 79- Técnica de reforço de paredes de alvenaria através da projecção de betão. (Gonçalves, 2007)

90

Tabela 32- Frequências (Hz) e identificações dos principais modos de vibração consoante a fase de estudo

Translação x Translação y Torção

Edifício 2.01 (1˚ modo)

Ux=77.90% 3.35 (4˚ modo)

Uy=78.10% 3.42 (5˚modo)

Rz=24.10%

Edifício + elevador 2.15 (1˚ modo)

Ux=76.30% 3.42 (4˚ modo)

Uy=75.7% 3.43 (5˚modo)

Rz=23.81%

Edifício + elevador + Saguão 2.31 (1˚ modo)

Ux=75.50% 3.46 (6˚modo)

Uy=75.10% 3.46 (5˚modo)

Rz=28.59%

Devido às configurações geométricas do edifício e a outros factores, surgem modos de torção

significativos. Estes modos não eram detectáveis no caso de estudo do capítulo número 4. Como é

visível, o efeito das estruturas de reforço têm pouca expressão no comportamento torsional do

edifício. Devido à posição não central da caixa de escadas, era previsível que existisse um aumento

de torção através do aumento da excentricidade estrutural. Este facto não foi verificado, visto existir

mais rigidez de torção quando se introduz a estrutura de elevador. Possivelmente, se não se

considerasse o piso rígido, este comportamento era mais expressivo.

O aumento de rigidez global através dos reforços, tem mais expressão na direcção x. Esta direcção é

aquela que apresenta mais fragilidade no que diz respeito à resistência e isso é devido à falta de

paredes resistentes na menor direcção. Na direcção y, o edifício apresenta uma grande rigidez,

devido à quantidade de paredes e às poucas aberturas que possuem.

Neste estudo foram analisados 500 modos de vibração, com o objectivo de considerar uma massa

representativa da estrutura. A massa acumulada nas duas translações principais e rotação pode ser

consultada na Tabela 33.

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Translação x Translação y Torção

Fre

quência

[H

z]

Edifício

Edifício + elevador

Edifício + elevador +Saguão

Figura 80- Frequências dos principais modos de vibração consoante a fase de estudo

91

Tabela 33- Factores de participação da massa acumulados no modo 500

A posição dos principais modos de vibração no espectro de resposta elástico pode ser consultada no

gráfico da Figura 81. O sismo considerado é o sismo do tipo I do EC8, sendo esse tipo de sismo o

mais condicionante (CEN EC8-1, 2010).

5.4.2. Análise de deformações

A análise da configuração deformada da estrutura permite avaliar o comportamento desta quando

solicitada por um sismo. Na Figura 82 são representadas as deformadas correspondentes à acção

do sismo do tipo I na direcção x, numa vista tridimensional para os três casos de estudo: Edifício sem

reforço; Edifício reforçado com a estrutura de elevador; e edifício reforçado com a estrutura de

elevador e paredes de betão no saguão.

ΣUx ΣUy ΣRz

Edifício 0.96 0.91 0.93

Edifício + elevador 0.96 0.91 0.93

Edifício + elevador + Saguão 0.94 0.91 0.92

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

Sd [

m/s

²]

T (s)

Translação y

Torção

Translação x

Sismo 1.3

Figura 81- Espectro de resposta elástico (Sismo tipo I). Representação das acelerações dos primeiros modos de translação e torção

a) b) c) Figura 82- Deformadas do Sismo do tipo I, direcção x. a) Edifício. b) Edifício + Elevador. c) Edifício + elevador

+ Saguão

92

Constata-se que as configurações são semelhantes e que apenas os valores dos deslocamentos são

diferentes (Figura 83).

Devido à posição da estrutura metálica em relação à fachada, é possível constatar uma diminuição

de deslocamentos mais expressiva no nó 1 que no nó 2, quando se integra esta estrutura. De facto, a

estrutura do elevador tem mais influência nos deslocamentos da fachada. Com a introdução do

reforço do saguão os deslocamentos diminuem, sendo possível observar uma diminuição

significativa dos deslocamentos na fachada de tardoz.

3.30 2.84 2.55

0.00

3.40

6.80

10.20

13.60

17.00

0 1 2 3 4

Altura

[m

]

Deslocamento x [cm]

3.17 2.87 2.46

0.00

3.40

6.80

10.20

13.60

17.00

0 1 2 3 4

Altura

[m

]

Deslocamento x [cm]

Figura 83- Deslocamentos da prumada do Nó 1 (esquerda) e do Nó 2 (direita) para o sismo do tipo I na direcção x

a) b) c)

Figura 84- Deformadas do Sismo I, direcção y. a) Edifício. b) Edifício + Elevador. c) Edifício + elevador + Saguão

93

Os deslocamentos na direcção y são de menor intensidade que os da direcção oposta. Como a

estrutura possui uma rigidez considerável nessa direcção, os efeitos dos reforços são menos

notáveis (Figura 84 e Figura 85).

5.4.3. Análise de esforços e verificação de segurança

A determinação da resposta dinâmica do edifício foi efectuada segundo a metodologia exposta no

capítulo anterior e os resultados das forças basais nas duas direcções principais podem ser

consultadas no gráfico da Figura 86. Os valores das respectivas forças possuem a mesma ordem de

grandeza nas duas direcções e entre os reforços adoptados. As forças a equilibrar para cada

direcção são de valor idêntico.

1.13 1.09

1.07

0.00

3.40

6.80

10.20

13.60

17.00

0 0.5 1 1.5

Altura

[m

]

Deslocamento y [cm]

1.13 1.10

1.07

0.00

3.40

6.80

10.20

13.60

17.00

0.00 0.50 1.00 1.50

Altura

[m

]

Deslocamento y [cm]

Figura 85- Deslocamentos da prumada do Nó 1 (esquerda) e do Nó 2 (direita) para o sismo I na direcção y

67

80

.05

67

60

.79

66

96

.53

67

48

.99

67

43

.28

68

27

.56

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Direcção X Direcção Y

Fo

rça

[K

N]

Edificio

Edificio + elevador

Edificio + elevador + Saguão

Figura 86- Forças de corte basal para o sismo do tipo I [KN]

94

Foi efectuada uma verificação da segurança global ao nível da base para o edifício sem qualquer tipo

de reforço. Esta verificação permitiu avaliar, numa primeira fase, se a estrutura está folgada em

relação à sua capacidade resistente. Através do critério de Mohr-Coulomb e desprezando a parcela

da coesão foi possível determinar a força de corte resistente global:

( ) Equação 11

em que:

- Força resistente ao corte

- Força vertical actuante

( )- Coeficiente de atrito - Área da parede - Coesão da alvenaria

A força actuante “N” registada pelo modelo sem reforço toma o valor de 6780.05 KN, para a direcção

x, e de 6760.79 KN, para a direcção y. Comparando o valor resistente com a força de corte basal

actuante nas duas direcções principais, é possível concluir, numa primeira análise, que o modelo

verifica a segurança a nível global e tem capacidade de redistribuir esforços.

As forças verticais actuantes “N”, provenientes da combinação quase permanente de acções, são

iguais para o edifício sem reforço e para o edifício com a estrutura de elevador. Isto deve-se ao facto

de a ligação da estrutura do elevador estar ligada apenas na direcção horizontal. Por outro lado, com

a adição da camada de betão na parede do saguão, as cargas verticais vão-se distribuir

diferentemente pelas paredes. No entanto, como o reforço de betão armado não vai ser avaliado,

admite-se que as cargas verticais são iguais para todos os casos em estudo. Esses valores estão

representados na Tabela 34.

Tabela 34- Forças verticais “N” devido à combinação quase permanente para as forças para os casos em análise [KN]

P. 1 x Fachada 2898.29

P. A y Empena 5265.45

P. 6 x Tardoz 3088.29

P. B y Interior 146.00

P. 4 x Saguão 400.97

P. C y Saguão 254.97

P. 3 x Interior 204.94

P. D y Interior 726.08



A distribuição das forças geradas pelo sismo faz-se pelas paredes e pelas estruturas de reforço. Na

Figura 87 é possível observar a evolução dos esforços de corte actuantes “ ” na direcção principal

das paredes.

95

Com a implementação dos reforços, é possível observar uma diminuição da força actuante “ ” nas

paredes exteriores, com excepção do saguão. Devido ao aumento de rigidez do saguão, estas

paredes passam a absorver mais esforços. A estrutura de elevadores tem um efeito mais visível na

fachada mais próxima do que na fachada do tardoz.

Aplicando o critério de Mohr-Coulomb e comparando a força actuante com a resistente, é possível

analisar a capacidade resistente de cada parede. O gráfico da Figura 88 mostra o rácio entre a força

actuante “ ” e a força resistente “ ” ao nível da base.

1421.89

1033.35

909.03

1608.21

1316.61

1033.17

1803.43

1660.51

1579.95

118.88 92.73

446.88

39.18 36.08

162.01

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Edifício Edificio+reforço Edifício + elevador + saguão

Forç

a d

e co

rte

actu

ante

"V

ed"

[K

N]

P. 1 x Fachada

P. 6 x Tardoz

P. A y Empena

P. 4 x Saguão

P. C y Saguão

Figura 87- Forças actuantes “𝑽𝑬𝒅” na base das paredes exteriores e do saguão devido ao sismo do tipo I [KN]. Direcção do plano da parede. Esforços afectados pelo coeficiente de comportamento (q=1.50)

14

4%

17

0%

10

7%

10

3%

54

%

10

5%

13

9%

98

%

81

%

50

%

92

%

10

9%

94

%

0%

100%

P. 1 x Fachada P. 6 x Tardoz P. A y Empena P. 4 x Saguão P. C y Saguão

Edifício Edifício+reforço Edifício+elevador+saguão

Figura 88- Rácio entre a força actuante e resistente ao nível da base devidas ao sismo do tipo I para as paredes exteriores e do saguão

96

Com a anexação da estrutura metálica, o nível de solicitação das paredes diminuiu

consideravelmente. No entanto, as paredes analisadas só verificam a segurança na direcção y. Na

direcção x as paredes possuem elevados graus de solicitação, pelo que o simples reforço da

estrutura do elevador não foi suficiente para a verificação da sua segurança. O reforço do saguão

resulta numa melhor distribuição de esforços pelas paredes, permitindo que na parede de fachada

principal as tensões de solicitação sejam inferiores à sua capacidade resistente.

É de referir que a parede P. 6 (direcção x) não verifica o critério de segurança adoptado. Na opinião

do autor, este facto não é muito relevante, visto que esta é uma parede de fácil acesso, pelo que

será fácil o seu reforço através da adição de elementos resistentes. De facto, nas fachadas de tardoz

é normal encontrar elementos novos, em betão armado, que fornecem mais resistência ao edificado.

243.28

182.35

156.52

99.43

74.82 62.57

160.06

129.42 103.65

174.67

160.79 153.36

0

50

100

150

200

250

300

Edifício Edificio+reforço Edifício+elevador+saguão

Forç

a d

e c

ort

e a

ctu

ante

[K

N]

P. 2 x Interior

P. 3 x Interior

P. 5 x Interior

P. D y Interior

Figura 89- Esforços na base das paredes interiores devido ao sismo I [KN]. Direcção do plano da parede. Esforços afectados pelo coeficiente de comportamento (q=1.50)

17

5%

14

8%

19

1%

71

%

72

% 1

31

%

11

1%

15

5%

66

%

66

% 11

2%

93

%

12

4%

64

%

63

%

0%

100%

P. 2 x Interior P. 3 x Interior P. 5 x Interior P. B y Interior P. D y InteriorEdifício Edifício+reforço Edifício+elevador+saguão

Figura 90- Rácio entre a força actuante e resistente ao nível da base devidas ao sismo do tipo I para as paredes interiores

97

Os resultados do presente capítulo estão de acordo com os do capítulo 4, tendo-se constatado que

as paredes interiores estão demasiado solicitadas face à capacidade resistente (Figura 89 e Figura

90). A reduzida espessura das mesmas faz com que estas apresentem uma fraca resistência ao

corte no seu plano.

Para realizar a verificação de segurança da estrutura metálica, analisaram-se as tensões devidas às

forças de compressão, tração e momentos flectores nos elementos lineares. No gráfico da Figura 91,

é possível observar que as tensões actuantes nos elementos metálicos devidas à acção sísmica são

inferiores à tensão de cedência. Concluindo-se, assim, que a estrutura metálica permanece em

regime elástico não sendo necessário modelar o seu comportamento não linear.

Como o módulo de elasticidade do aço é independentemente da tensão de cedência, segundo a

norma EC3, a resistência do aço pode ser escolhida apôs a modelação estrutural. Assim, para

exemplificação, considerou-se uma tensão de cedência de 235 MPa (S235).

0

50

100

150

200

250

HEB 160 HEB 200 HEB 200 HEB 140 CHS219.10

CHS168.30

CHS139.70

IPE 300

Ten

são

[M

Pa]

Edifício + elevador Edifício + elevador+Saguão S235

(Plano

portas do

Figura 91- Tensões axiais actuantes nas peças metálicas da estrutura dos elevadores para o sismo do tipo I

98

5.4. Discussão da solução de reforço

O reforço através da solução da estrutura do elevador proporcionou melhorias no comportamento do

edifício, através da diminuição dos esforços actuantes dos elementos mais vulneráveis.

Para que a estrutura apresente um desempenho eficaz e garanta os resultados necessários é, ainda,

necessário validar as hipóteses admitidas nos modelos utilizados. Estas validações constituem um

problema corrente no reforço de edifícios antigos, como é o caso da validação da hipótese de

diafragma rígido ao nível ou da ligação rígida entre pavimentos. Esse comportamento tem de ser

garantido através de reforço do pavimento e das suas ligações às paredes e das paredes entre si.

O objectivo do presente trabalho não é propor uma solução de reforço total do edifício, apenas

discutir a possibilidade do aproveitamento estrutural duma estrutura do elevador e as dificuldades

associadas a esse aproveitamento. No entanto, é de referir que a materialização duma solução para

rigidificação dos pavimentos pode ser realizada através de um sistema de tirantes pré-tencionados.

Caso não se pretenda modificar o pavimento original, pode-se realizar um pavimento adicional em

madeira sobre o existente. Para complementar estas soluções podem ser utilizados perfis em aço

entre as estruturas de reforço do elevador, o saguão e as paredes de alvenaria.

São possíveis, outras soluções para aumentar a rigidez dos pavimentos, como é o caso da adição de

camadas de betão sobre os pavimentos existentes. Esta alternativa é possível desde que a carga

vertical imposta à estrutura não penalize excessivamente a resistência das paredes e das fundações.

99

6. Considerações finais

6.1. Conclusões

Neste capítulo final, são mencionados aspectos mais gerais e são expostas as conclusões mais

importantes do presente estudo.

No segundo capítulo, sobre sistemas de elevadores, foi possível concluir que existem dois principais

tipos de elevadores, consoante o seu mecanismo de funcionamento: os eléctricos de tracção e os

hidráulicos. Foram caracterizadas as componentes de cada sistema e foi abordado um conceito que

envolve sistemas de tamanho reduzido, denominado de “machine room less”. Comparam-se os dois

principais sistemas de elevação e pôde constatar-se que cada sistema tem as suas vantagens e

desvantagens, nomeadamente na altura de alcance, velocidade de transporte, espaço ocupado e

energia consumida. Foram enumerados diversos sistemas de segurança de elevadores, entre eles, o

pára-quedas que permite a paragem do sistema em casos de avaria.

A legislação que regula o fabrico, instalação, utilização e manutenção de elevadores foi abordada,

nomeadamente a norma europeia de fabrico e instalação de elevadores eléctricos de tracção e

hidráulicos. Estas normas fornecem disposições construtivas que podem afectar a concepção de um

edifício. Por último, foi abordado, de modo genérico, o comportamento dos elevadores num evento

sísmico através dos danos em sismos ocorridos e concluiu-se que os elevadores de tracção têm pior

comportamento face aos hidráulicos, principalmente devido à elevada massa suspensa (contrapeso)

que pode originar diversos danos no sistema de elevação.

Após o estudo de sistemas de elevadores, abordaram-se no capítulo 3 as estruturas que os

suportam, no âmbito da reabilitação de edifícios. Estas estruturas podem ter diversos objectivos, para

além do suporte do elevador, como seja a protecção do sistema de elevação ou a função de

aumentar a resistência do edifício. Foram referidas as principais condicionantes devido à

implementação destas estruturas e foi demostrado que a necessidade de espaço é a principal

dificuldade neste tipo de instalações. Abordaram-se diversas estruturas existentes no mercado,

constituídas em aço ou betão e concluiu-se que as estruturas metálicas são mais usuais, devido à

facilidade de montagem e eficácia. No final do capítulo 3 estudaram-se as possíveis acções que um

elevador pode criar na estrutura de elevadores. Fez-se a distinção do dimensionamento da estrutura

do elevador para duas fases de projecto: uma em serviço e que envolve as cargas máximas do

elevador; e uma fase de emergência onde o elevador é imobilizado repentinamente, gerando-se

forças consideráveis.

Depois do estudo dos sistemas de elevadores e das suas estruturas, foi estudado no capítulo 4 e 5 a

possibilidade do uso dessas estruturas para reforço sísmico de edifícios antigos.

100

No capítulo 4 estudou-se o parque habitacional na cidade de Lisboa e concluiu-se que existe uma

quantidade significativa de edifícios antigos. Diferenciou-se os edifícios antigos por tipo de

construção e caracterizou-se, de forma geral, cada um. Concluiu-se que o edifício mais vulnerável à

acção sísmica era o edifício do tipo gaioleiro.

No capítulo 4, estudou-se a influência das estruturas de elevadores nos edifícios antigos através de

um modelo computacional (em elementos finitos) de um edifício fictício do tipo gaioleiro. Realizou-se

uma análise elástica tridimensional, em que o comportamento não linear foi modelado através de um

coeficiente de comportamento. O coeficiente de comportamento foi definido através das normas

italianas OPCM e dos EC8, parte 3, tendo-se chegado a valores mais reduzidos para a quantificação

pela norma europeia.

As características mecânicas dos materiais do modelo foram baseadas em edifícios reais da cidade

de Lisboa e foram definidas com base em artigos científicos. Usaram-se coeficientes de segurança

enunciados nas normas consultadas.

Previamente à escolha da geometria e material da estrutura de elevadores, foram abordados alguns

aspectos dos elementos de reforço. Concluiu-se que a estrutura de reforço necessita de ter uma

rigidez considerável e uma resistência adequada.

As cinco estruturas metálicas em pórtico estudadas e a estrutura de betão armado tinham como

objectivo o aumento da resistência global do edifício através do aumento da rigidez global do edifício.

Com o aumento da rigidez do edifício, a intensidade da acção sísmica não se alterou

significativamente.

A primeira hipótese testada foi uma estrutura metálica contraventada, do tipo convencional,

pretendendo-se averiguar o seu efeito na estrutura global. Chegou-se à conclusão que esta estrutura

não modifica o comportamento do edifício e que para esta ter efeito, é necessário que seja mais

robusta. Criaram-se mais estruturas de elevadores para teste, constituídas por pórticos metálicos

diferindo várias propriedades, como a dimensão das peças metálicas, a largura dos pórticos e outras.

Foi também analisada uma estrutura mista de aço e betão. Os resultados desta estrutura apresentam

melhorias pouco significativas.

Concluiu-se que com o aumento da rigidez das estruturas metálicas, os esforços actuantes bem

como os deslocamentos do edifício são menores. O melhor comportamento foi obtido para uma

estrutura de dimensões elevadas que tirava partido do espaço da bomba de escadas e da caixa de

escadas.

A estrutura de betão estudada era do tipo núcleo em secção “C” inserido na bomba de escadas. O

impacto desta estrutura não é muito diferente do impacto obtido das estruturas metálicas.

101

A verificação de segurança das paredes de alvenaria foi realizada para um critério do tipo Mohr-

Coulomb para duas paredes exteriores (fachada e empena) e para duas paredes interiores, com

direcções opostas. Concluiu-se que as paredes exteriores verificam a segurança quando se usou o

coeficiente de comportamento indicado pela norma italiana, mesmo sem reforço estrutural. Utilizando

o coeficiente de comportamento indicado pela norma europeia, a verificação de segurança não foi

assegurada. No entanto, nalguns casos, com a implementação da estrutura de reforço, conseguiu-se

verificar a segurança de paredes de alvenaria. Verificou-se que uma das paredes de alvenaria

interiores estava excessivamente solicitada e nessa parede não foi conseguida a verificação dos

critérios de segurança para as duas normas. Note-se que este tipo de análise apenas contempla as

tensões de corte nos planos perpendiculares das paredes.

Também foi avaliada a segurança da estrutura de alvenaria, sem coeficientes e factores de redução

das propriedades mecânicas do material, e obteve-se a comprovação dos critérios em todos os

casos, com excepção da parede interior mais solicitada enquanto se usou o coeficiente de

comportamento definido pela norma europeia.

Através da comparação do esforço normal actuante e resistente das estruturas metálicas, foi possível

concluir que as estruturas de reforço metálicas estão pouco solicitadas em relação à sua capacidade

máxima, funcionando em regime elástico. Esta análise permitiu concluir que a estrutura metálica

necessita de possuir uma rigidez elevada e que o nível de resistência seria excedente.

Apôs as análises estruturais do capítulo 4, estudaram-se os impactos das estruturas, numa óptica de

facilidade de execução e concluiu-se que as estruturas metálicas têm menor impacto

comparativamente às estruturas de betão armado.

No capítulo 5, estudou-se um edifício do tipo gaioleiro, de 5 pisos, semelhantes aos edifícios

característico da cidade de Lisboa. Este edifício possui duas aberturas verticais, o saguão e a bomba

de escadas. Foi estudada uma solução de reforço que envolvia as paredes do saguão e uma

estrutura metálica de elevadores.

A estrutura de elevador adoptada era constituída por duas estruturas em pórtico tridimensional, em

que uma ocupa o interior da caixa de escadas e outra situa-se junto à face interior das paredes da

caixa de escadas. Esta estrutura foi estudada no capítulo 4 e é a que possuí maior rigidez, em

resultado do afastamento dos montantes e das dimensões das secções.

Através da análise do edifício sem reforço, foi possível concluir que este possui um comportamento

mais flexível na menor direcção e um comportamento mais rígido na maior dimensão. Este tipo de

comportamento é comum em edifícios do tipo gaioleiro dada sua dimensão alongada em planta.

Com a introdução dos elementos de reforço o comportamento do edifício melhora bastante ao nível

dos deslocamentos, como a nível resistente. No entanto, ao nível resistente, as paredes da menor

dimensão do edifício não verificam a segurança ao corte. Estas paredes pertencem à fachada de

102

tardoz, pelo que uma intervenção estrutural pode ser de fácil execução. As restantes são paredes

interiores que carecem de resistência.

No final do capítulo foram discutidas as hipóteses complementares de reforço, com especial atenção

ao reforço do pavimento para a consideração de diafragma rígido e à ligação rígida entre paredes.

De um modo geral, a estrutura de elevador não é suficiente para a verificação de segurança através

dos critérios definidos. O efeito das estruturas de elevadores pode ser benéfico no comportamento

do edifício e em caso de reforço global, esta estrutura pode ser utilizada como um reforço

complementar, ao mesmo tempo que é uma mais-valia para o edifício. No entanto, para que estas

estruturas participem activamente no comportamento do edifício, terão de apresentar elevada rigidez,

o que só será conseguido com elementos muito robustos ou com grandes afastamentos entre

montantes.

A análise realizada é limitada, pois o comportamento das estruturas de alvenaria é mais complexo

que o comportamento idealizado. A escolha das propriedades dos materiais pode não corresponder

à realidade e para adquirir um maior grau de confiança nos materiais escolhidos será necessário

realizar ensaios ao edifício em estudo.

6.2. Desenvolvimentos futuros

Apesar dos objectivos terem sido cumpridos, o presente trabalho pode ser alongado para outros

campos de estudo e desenvolvido por métodos mais realistas. Na seguinte lista são expostos alguns

aspectos a desenvolver em trabalhos futuros.

Relativamente aos sistemas de elevador, poderia ser realizada uma análise económica, consoante o

tipo de elevador utilizado na reabilitação de edifícios, estudando-se, deste modo, os tipos de elevador

mais vantajosos em termos de custos e de espaço necessário à sua instalação.

A recente norma europeia EN 81-77 que regulamenta os ascensores sujeitos a condições sísmicas,

necessita, de um estudo aprofundado, com o objectivo de analisar os impactos de um evento sísmico

numa estrutura de elevador.

A análise linear neste trabalho, não explora o comportamento não linear a nível global e o valor do

coeficiente de comportamento não é rigoroso, pelo que seria desejável realizar uma análise mais

realista, com capacidade de modelar o comportamento não linear das alvenarias.

Para que a análise seja mais rigorosa, é necessário um melhor conhecimento do comportamento dos

materiais, pelo que seria desejável a caracterização dos materiais através de ensaios in-situ.

Na análise de tensões das paredes apenas se realizou o estudo no plano das paredes e para um

mecanismo de rotura por corte. A consideração de outros tipos de rotura e o comportamento para

fora do plano pode ser uma hipótese a desenvolver.

103

A consideração de piso rígido melhora bastante os resultados, tanto ao nível do comportamento do

edifício, como no efeito das estruturas de elevadores no edifício. Este efeito necessita de ser

validado fisicamente através da constituição de um mecanismo eficiente. O estudo de um edifício

com o piso flexível também pode ser interessante.

É necessário aprofundar o estudo do comportamento da ligação da estrutura de elevadores à

estrutura do edifício existente. Esta ligação tem um comportamento complexo e necessita de ser

eficaz para que a estrutura de reforço possa auxiliar o comportamento do edifício.

Para complementar o estudo sísmico realizado, era de interesse estudar a implementação de

estruturas de elevadores em edifícios com diferentes características geométricas, nomeadamente em

edifícios menos elevados e com menor rigidez comparativamente ao caso estudado.

104

6. Bibliografia

101 Mobility. (s.d.). Residential Elevators. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de 101 Mobility- America's Leader in Mobility Solutions: www.101mobility.com/residential-elevators.php

Appleton, J. (2003). Reabilitação de Edifícios Antigos: Patologias e tecnologias de intervenção. Lisboa: Orion.

Appleton, J. G. (2005). Reabilitação de edifícios "gaioleiros". Amadora : Orion.

Atlas Schindler. (s.d.). Elevadores de Passageiros, Escadas Rolantes, Obra Civil e Cálculo de Tráfego. In Manual de Transporte Vertical em Edifícios. Brasil.

Axess 2 Ltd. (s.d.). The History of Lifts. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Axess 2- Lifts for life: http://www.axess2.co.uk/history-lifts-2/

Bellis, M. (s.d.). History of the Elevator- Elisha Otis. Obtido em 23 de Outubro de 2014, de About money: http://inventors.about.com/od/estartinventions/a/Elevator.htm

Beolchini, G., Milano, L., & Antonacci, E. (2005). Repertorio dei meccanismi di danno, delle tecniche di intervento e dei relativi costi negli edifici in murata- Definizione di mideki per l'analise strutturale degli edifici in murata.

Bloomfield, L. (2008). How things work: the physics of everyday life. Wiley.

Branco, M. (2007). Reforço Sísmico de Edifícios de Alvenaria- Aplicação a edifícios “Gaioleiros”. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Cais do Olhar, Blog. (23 de Setembro de 2010). Cais do Olhar. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Blogspot: http://caisdoolhar.blogspot.pt/2010_09_01_archive.html

Cardoso, M. (2002). Vulnerabilidade Sísmica de Estruturas Antigas de Alvenaria – Aplicação a um Edifício Pombalino. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Castro, L. (2003). Apontamentos da cadeira de Análise de Estruturas II. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Celik, F. (2005). Elevator safety in seismic regions. Blain Hydraulics.

Celik, F. e. (s.d.). Why hydraulic elevators are so popular? Part II. Blain hydraulics.

Celik, F., & Korbahti, B. (2006). Why Hydraulic elevators are so popular? Part I. Blain hydraulics.

CEN EC0. (2009). NP EN 1990- Bases para o projecto de estruturas.

CEN EC1-1. (2009). NP EN 1991 Acções em estruturas, parte 1-1 Acções gerais.

CEN EC3. (2010). Eurocódigo 3- Projecto de estruturas de aço.

CEN EC4-1. (2004). EN1994-1- Design of composite steel and concrete structures.

CEN EC8-1. (2010). NP EN 1998-1- Projecto de estruturas para resistência aos sismos. Parte 1- Regras gerais, acções sísmicas e regras para edifícios.

CEN EC8-3. (2005). EN 1998-3 Part 3: Assessment and retrofitting of buildings. Eurocode 8 — Design of structures for earthquake resistance-.

CEN NP EN 81-1. (2000). NP EN 81-1- Regras de segurança para o fabrico e instalação de ascensores - Parte 1: Ascensores eléctricos. CEN- Comité Europeu de Normalização.

CEN NP EN 81-2. (2000). NP EN 81-2- Regras de segurança para o fabrico e instalação de ascensores - Parte 1: Ascensores hidráulicos. CEN- Comité Europeu de Normalização.

Chase, H. (1921). The Wonder Book Of Knowledge. Obtido de http://chestofbooks.com/reference/Wonder-Book-Of-Knowledge/The-Story-In-Elevators-And-Escalators.html

Cóias, V. (2007). Reabilitação Estrutural de Edifícios Antigos (2ª ed.). Argumentum.

Computers & Structures Inc. (2011). Analysis Reference manual For SAP2000, ETABS, and SAFE. Berkeley, California: CSI.

105

Costa, A., & Arede, A. (2004). Strengthening of Structures Damaged by the Azores Earthquake of 1998. 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica. Guimarães.

Costa, M., & Oliveira, C. (Novembro de 1989). Comportamento Sísmico de Edifícios Antigos Implantados em Quarteirão – Encontro sobre Sismologia e Engenharia Sísmica. Lisboa.

Delgado, J. (2013). Avaliação sísmica de um edifício crítico em alvenaria. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Diário da Républica. (8 de Agosto de 2006). Decreto-Lei 163/2006. Lisboa, Portugal.

EESTI Standardiesus. (s.d.). EVS- EN81-77: 2003. Obtido em 28 de Outubro de 2014, de http://www.evs.ee/products/evs-en-81-77-2013

Electrical knowhow. (s.d.). Basic Elevator Components - Part Two. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Electrical knowhow: http://www.electrical-knowhow.com/2012/04/basic-elevator-components-part-two.html

Elevadores Lift Carga. (s.d.). Elevadores Lift Carga. Obtido de Estruturas: http://www.elevadoresliftcarga.com/#!estruturas/ch4u

ENOR Ascensores . (Outubro de 2007). Desenhos.

ENOR- Ascensores. (s.d.). HomeLift.

Eslco. (s.d.). Eslco- Elevator roller guides. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Model B: http://www.elscoguides.com/content/model-b.php

European Commisson. (s.d.). Directive 95/16/EC. Obtido em 28 de Outubro de 2014, de Lifts: http://ec.europa.eu/enterprise/policies/european-standards/harmonised-standards/lifts/

fcsseratostenes. (16 de Fevereiro de 2011). Ruinas 17 - exemplos vários em Lisboa. Obtido em 30 de Outubro de 2014, de fcsseratostenes: http://fcsseratostenes.blogspot.pt/2011/02/ruinas-17-exemplo-varios-em-lisboa.html

Federal Emergency Management Agency. (2011). E-74- Reducing the risks of nonstructural earthquake damage- 6.4.10.1-Hydraulic elevators.

Federal Emergency Management Agency. (2011). E-74- Reducing the risks of nonstructural earthquake damage- 6.4.10.2- traction elevators.

Garaventa Lift. (s.d.). Drive and Control System. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Garaventa Lift.

Giges, N. (Setembro de 2012). Elevators Join. Obtido em 28 de Outubro de 2014, de American Society of Mechanical Engineers: https://www.asme.org/engineering-topics/articles/elevators

Glas, B. (s.d.). Machine Room Less (MRL) Elevators. Evolution in elevator design. Schindler Elevators.

Gomes, C. (Setembro de 2012). Manual de manutenção preventiva de sistemas de elevação vertical para transporte de pessoas. Instituto superior de engenharia de Lisboa.

Gomes, R. (2011). Sistema Estrutural de Edifícios Antigos de Lisboa – Os “Edifícios Pombalinos” e os “Edifícios Gaioleiros”. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Gonçalves, A. (2007). Reabilitação de Paredes de Alvenaria. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

Harris, T. (s.d.). How Elevators Work. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de How stuffworks: http://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/elevator1.htm

Heling, K., Perry, R., & Rhiner, M. (Julho de 2009). The impact of worn sheave grooves on rope life expectancy. Elevator World, 124-136.

Instituto Nacional de Estatística. (20 de Novembro de 2012). Dados estatísticos. Obtido em 30 de Outubro de 2014, de Censos: http://censos.ine.pt/

ISO. (s.d.). International Organization for Standardization. Obtido de http://www.iso.org/

KLEEMANN LIFTS. (s.d.). Shaft structures. Obtido em 13 de Dezembro de 2014, de http://www.consultlifts.co.uk/shaft-structures.pdf

106

Kone Elevators. (28 de Outubro de 2014). MonoSpace Mid-Rise Elevator. Obtido de Kone- Dedicated to people flow: http://www.kone.us/elevators/monospace/

Lima, M. (s.d.). Reabilitação do edifício histórico Pombalino em Lisboa. Obtido em 30 de Outubro de 2014, de Social Design Magazine: http://www.socialdesignmagazine.com/pt/site/architettura/marisa-lima-rehabilitation-of-historic-building-pombalino-in-lisbon.html

Lopes, M. (2009). Sismos e Edifícios. ORION.

McQuay, T. (Agosto de 2011). Opening ye doors to the world the automatica door operator. Elevator World, Inc.

Milosevic, J., Gago, A., Lopes, M., & Bento, R. (2013). Experimental assessment of shear strength parameters on rubble stone masonry specimens. Construction and Building Materials, 1372–1380.

MM lift components. (s.d.). Elevator Guide Rails. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de MM lift components: http://www.mmliftcomponents.com/elevator-guide-rails/elevator-guide-rails.html

1) Modena, C. (2012). Ordine degli Ingegneri della Provincia di Pistoia.

2) Modena, C. (2012). Analisi e interventi strutturali su edifici in muratura secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni 2008.

Modena, C., Casarin, F., Porto, F. d., Garbin, E., Mazzon, N., Munari, M., . . . Valluzzi, M. R. (2009). structural interventions on historical masonry buildings: review of eurocode 8 provisions in the light of the italian experience. E. Cosenza (ed), Eurocode 8 Perspectives from the Italian Standpoint Workshop, 225-236.

Monteiro, B. (2013). Avaliação Sísmica de Edifícios “de Placa”. Lisboa : Instituto Superior Técnico.

Monteiro, J. (2012). Análise Sísmica de Edifícios “Gaioleiros”. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

National Academy of sciences. (1973). The great Alaska earthquake of 1964.

OPCM 3274. (2003). Norme Tecniche per il Progetto, la Valutazione e l'Adeguamento Sismico degli Edifice. Testo integrato dell'Allegato 2 - Edifici - all'Ordinanza 3274 come modificato dall'OPCM 3431 del 3/5/05.

Otis. (s.d.). About Elevators. Obtido em 28 de Outubro de 2014, de otisworldwide: http://www.otisworldwide.com/pdf/AboutElevators.pdf

Otis Elevators. (2011). Gen2- Macine roomless elevator system. Obtido de http://www.otis.com/site/us/

Palha, J. (2010). Comportamento sísmico de sistemas de elevadores em hospitais. Instituto Superior Técnico.

Pereira, D. (2009). Estudo Sísmico de Edifícios Antigos- Reforço e análise não linear. Lisboa: Instituto Superior Técnico.

S3i Group. (s.d.). Structural Tie Bar - Stainless Steel. Obtido em 11 de Novembro de 2014

Sabatino, R., & Rizzano, G. (2011). A Simplified Approach for the Seismic Analysis of Masonry Structures. The Open Construction and Building Technology Journal, 97-104.

Stanley Elevator company, Inc. (s.d.). The Value of Traction Elevator Modernization. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Stanley Elevator company, Inc.: http://www.stanleyelevator.com/traction-elevator-modernization/

Stannah. (s.d.). Passenger Lifts. Obtido de Stannah : http://www.stannahlifts.co.uk/passenger-lifts/maxilift/fx-structure-supported-options.asp

Tetlow, K. (Setembro de 2007). New Elevator Technology: The Machine Room-Less Elevator. Obtido em 28 de Outubro de 2014, de continuing education center: http://continuingeducation.construction.com/

The American Institute of arquitects (AIA)- Continuing Educational System (CES)- courses. (s.d.). Elevator 101- Introduction to Elevator Technology. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de

107

mass.gov- The Official Website of the Commonwealth of Massachusetts: http://www.mass.gov/anf/docs/dcam/mafma/tutorials/elevator-101.pdf

THIEL Engenharia. (s.d.). Obtido em 23 de Janeiro de 2015, de http://www.thiel.eng.br/f/obras/

Thyssen Elevators. (s.d.). Products- gear and gearless machines-. (Thyssen, Produtor) Obtido em 28 de Outubro de 2014, de Lift.der.: http://www.liftder.gr/

Thyssenkrupp. (s.d.). manufacturing drawings- guide rail fixing brackets.

Vipalspa. (s.d.). Lift Shaft VSA. Obtido de Vipalspa: http://www.vipalspa.com/eng/

Virtuoso, F., & Vieira, R. (2010/2011). Introdução à Definição da Acção sísmica E análise Dos seus Efeitos em estruturas de edifícios de acordo como a NP EN 1998 Eurocódigo 8. Instituto Superior Técnico: Apontamentos da disciplina de dimensionamento de estruturas.

Wittur. (s.d.). Deslizadeiras SLG. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de Wittur: http://www.wittur.com/

wittur. (s.d.). MDS1 Car Door. Obtido em 27 de Outubro de 2014, de wittur: http://www.wittur.com/website/

Documents

Utilização das Estruturas dos Elevadores para Reforço ... · Utilização das Estruturas dos Elevadores para Reforço Sísmico de Edifícios Antigos João Carlos Silva de Carvalho