Engenharia de terremotos - Earthquake engineering

A engenharia de terremotos é um ramo interdisciplinar da engenharia que projeta e analisa estruturas, como edifícios e pontes, com terremotos em mente. Seu objetivo geral é tornar essas estruturas mais resistentes a terremotos. Um engenheiro de terremotos (ou sísmicos) visa construir estruturas que não serão danificadas com pequenas sacudidelas e evitarão danos graves ou colapso em um grande terremoto. Engenharia de terremotos é o campo científico preocupado em proteger a sociedade, o meio ambiente natural e o meio ambiente feito pelo homem contra terremotos, limitando o risco sísmico a níveis socioeconômicos aceitáveis. Tradicionalmente, tem sido definido de forma restrita como o estudo do comportamento de estruturas e geoestruturas sujeitas a carregamento sísmico ; que é considerada como um subconjunto de engenharia estrutural , engenharia geotécnica , engenharia mecânica , engenharia química , física aplicada , etc. No entanto, os custos enormes experimentados em sismos recentes levaram a uma expansão do seu âmbito aos disciplinas englobam desde o campo mais vasto de civis engenharia , engenharia mecânica , engenharia nuclear , e das ciências sociais , especialmente a sociologia , ciência política , economia e finanças .

Os principais objetivos da engenharia sísmica são:

Uma estrutura adequadamente projetada não precisa necessariamente ser extremamente forte ou cara. Ele deve ser projetado adequadamente para suportar os efeitos sísmicos enquanto sustenta um nível aceitável de danos.

Teste de colisão de mesa oscilante de um modelo de construção regular (à esquerda) e um modelo de construção de base isolada (à direita) na UCSD

Carregamento sísmico

O carregamento sísmico significa a aplicação de uma excitação gerada pelo terremoto em uma estrutura (ou geoestrutura). Acontece nas superfícies de contato de uma estrutura com o solo, com estruturas adjacentes ou com ondas gravitacionais de tsunami . O carregamento que é esperado em um determinado local na superfície da Terra é estimado pela engenharia sismológica . Está relacionado ao risco sísmico do local.

Desempenho sísmico

O desempenho sísmico ou sísmico define a capacidade de uma estrutura de sustentar suas funções principais, como a segurança e a capacidade de manutenção , durante e após a exposição a um terremoto específico. Uma estrutura é normalmente considerada segura se não colocar em risco a vida e o bem-estar das pessoas que estão dentro ou ao redor dela ao desabar parcial ou totalmente. Uma estrutura pode ser considerada útil se for capaz de cumprir as funções operacionais para as quais foi projetada.

Os conceitos básicos da engenharia sísmica, implementados nos principais códigos de construção, pressupõem que um edifício deve sobreviver a um terremoto raro e muito severo, sofrendo danos significativos, mas sem desmoronar globalmente. Por outro lado, deve permanecer operacional para eventos sísmicos mais frequentes, mas menos graves.

Avaliação de desempenho sísmico

Os engenheiros precisam saber o nível quantificado do desempenho sísmico real ou previsto associado ao dano direto a um edifício sujeito a um tremor de solo especificado. Essa avaliação pode ser realizada experimentalmente ou analiticamente.

Avaliação Experimental

Avaliações experimentais são testes caros que normalmente são feitos colocando um modelo (em escala) da estrutura em uma mesa vibratória que simula o tremor da terra e observando seu comportamento. Esses tipos de experimentos foram realizados pela primeira vez há mais de um século. Apenas recentemente se tornou possível realizar testes em escala 1: 1 em estruturas completas.

Devido à natureza cara de tais testes, eles tendem a ser usados ​​principalmente para entender o comportamento sísmico de estruturas, validar modelos e verificar métodos de análise. Assim, uma vez devidamente validados, os modelos computacionais e os procedimentos numéricos tendem a carregar a maior carga para a avaliação do desempenho sísmico das estruturas.

Avaliação analítica / numérica

Instantâneo de um vídeo de mesa vibratória de um teste destrutivo de edifício de concreto não dúctil de 6 andares

A avaliação de desempenho sísmico ou análise estrutural sísmica é uma ferramenta poderosa de engenharia sísmica que utiliza modelagem detalhada da estrutura junto com métodos de análise estrutural para obter uma melhor compreensão do desempenho sísmico de estruturas de construção e não construção . A técnica como um conceito formal é um desenvolvimento relativamente recente.

Em geral, a análise estrutural sísmica é baseada nos métodos de dinâmica estrutural . Durante décadas, o instrumento mais proeminente de análise sísmica foi o método do espectro de resposta a terremotos , que também contribuiu para o conceito de código de construção proposto de hoje.

No entanto, tais métodos são bons apenas para sistemas elásticos lineares, sendo amplamente incapazes de modelar o comportamento estrutural quando o dano (isto é, não linearidade ) aparece. A integração numérica passo a passo provou ser um método mais eficaz de análise para sistemas estruturais de vários graus de liberdade com não linearidade significativa sob um processo transiente de excitação de movimento do solo. O uso do método dos elementos finitos é uma das abordagens mais comuns para analisar modelos de computador de interação não linear da estrutura do solo .

Basicamente, a análise numérica é realizada para avaliar o desempenho sísmico dos edifícios. As avaliações de desempenho são geralmente realizadas usando análise pushover estática não linear ou análise de histórico de tempo não linear. Em tais análises, é essencial obter modelagem não linear precisa de componentes estruturais, como vigas, colunas, juntas viga-coluna, paredes de cisalhamento, etc. Assim, os resultados experimentais desempenham um papel importante na determinação dos parâmetros de modelagem de componentes individuais, especialmente aqueles que estão sujeitos a deformações não lineares significativas. Os componentes individuais são então montados para criar um modelo não linear completo da estrutura. Assim, os modelos criados são analisados ​​para avaliar o desempenho dos edifícios.

Os recursos do software de análise estrutural são uma consideração importante no processo acima, pois eles restringem os modelos de componentes possíveis, os métodos de análise disponíveis e, o mais importante, a robustez numérica. Este último se torna uma consideração importante para estruturas que se aventuram na faixa não linear e se aproximam de um colapso global ou local conforme a solução numérica se torna cada vez mais instável e, portanto, difícil de alcançar. Existem vários softwares de análise de elementos finitos disponíveis comercialmente, como CSI-SAP2000 e CSI-PERFORM-3D, MTR / SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS e Ansys , todos os quais podem ser usados ​​para a avaliação do desempenho sísmico de edifícios. Além disso, existem plataformas de análise de elementos finitos baseadas em pesquisa, como OpenSees , MASTODON, que é baseada no MOOSE Framework , RUAUMOKO e o antigo DRAIN-2D / 3D, vários dos quais agora são de código aberto.

Pesquisa para engenharia sísmica

Pesquisa para engenharia sísmica significa investigação de campo e analítica ou experimentação destinada à descoberta e explicação científica de fatos relacionados à engenharia sísmica, revisão de conceitos convencionais à luz de novas descobertas e aplicação prática das teorias desenvolvidas.

A National Science Foundation (NSF) é a principal agência governamental dos Estados Unidos que apóia a pesquisa fundamental e a educação em todos os campos da engenharia sísmica. Em particular, centra-se na pesquisa experimental, analítica e computacional em design e melhoria de desempenho de sistemas estruturais.

Mesa E-Defense Shake

O Earthquake Engineering Research Institute (EERI) é líder na disseminação de informações relacionadas à pesquisa de engenharia de terremotos nos Estados Unidos e em todo o mundo.

Uma lista definitiva de mesas vibratórias relacionadas à pesquisa de engenharia de terremotos ao redor do mundo pode ser encontrada em Instalações Experimentais para Simulação de Engenharia de Terremotos em todo o mundo. O mais proeminente deles é agora a Mesa de Mistura E-Defense no Japão .

Principais programas de pesquisa dos EUA

A NSF também apóia a Rede George E. Brown, Jr. para Simulação de Engenharia de Terremotos

O programa de Mitigação de Perigos e Engenharia Estrutural da NSF (HMSE) apóia a pesquisa de novas tecnologias para melhorar o comportamento e a resposta de sistemas estruturais sujeitos a perigos de terremoto; pesquisa fundamental sobre segurança e confiabilidade de sistemas construídos; desenvolvimentos inovadores em análise e simulação baseada em modelo de comportamento estrutural e resposta, incluindo interação solo-estrutura; conceitos de design que melhoram o desempenho e a flexibilidade da estrutura ; e aplicação de novas técnicas de controle para sistemas estruturais.

(NEES) que avança a descoberta de conhecimento e inovação para terremotos e redução de perdas por tsunami da infraestrutura civil do país e novas técnicas de simulação experimental e instrumentação.

A rede NEES possui 14 laboratórios de uso compartilhado geograficamente distribuídos que suportam vários tipos de trabalho experimental: pesquisa de centrífugas geotécnicas, testes de mesa vibratória, testes estruturais em grande escala, experimentos em bacias de ondas de tsunami e pesquisas em campo. As universidades participantes incluem: Cornell University ; Lehigh University ; Oregon State University ; Rensselaer Polytechnic Institute ; University at Buffalo , State University of New York ; Universidade da Califórnia, Berkeley ; Universidade da Califórnia, Davis ; Universidade da Califórnia, Los Angeles ; Universidade da Califórnia, San Diego ; Universidade da Califórnia, Santa Bárbara ; Universidade de Illinois, Urbana-Champaign ; Universidade de Minnesota ; Universidade de Nevada, Reno ; e a Universidade do Texas, Austin .

NEES na instalação de testes de Buffalo

Os sites de equipamentos (laboratórios) e um repositório central de dados estão conectados à comunidade global de engenharia de terremotos por meio do site do NEEShub. O site NEES é alimentado pelo software HUBzero desenvolvido na Purdue University para nanoHUB especificamente para ajudar a comunidade científica a compartilhar recursos e colaborar. A ciberinfraestrutura, conectada via Internet2 , fornece ferramentas de simulação interativa, uma área de desenvolvimento de ferramenta de simulação, um repositório central de dados com curadoria, apresentações animadas, suporte ao usuário, telepresença, mecanismo para upload e compartilhamento de recursos e estatísticas sobre usuários e padrões de uso.

Essa ciberinfraestrutura permite que os pesquisadores: armazenem, organizem e compartilhem dados com segurança em uma estrutura padronizada em um local central; observar e participar remotamente de experimentos por meio do uso de dados e vídeo sincronizados em tempo real; colaborar com colegas para facilitar o planejamento, desempenho, análise e publicação de experimentos de pesquisa; e conduzir simulações computacionais e híbridas que podem combinar os resultados de múltiplos experimentos distribuídos e conectar experimentos físicos com simulações de computador para permitir a investigação do desempenho geral do sistema.

Esses recursos, em conjunto, fornecem os meios para colaboração e descoberta para melhorar o projeto sísmico e o desempenho de sistemas de infraestrutura civil e mecânica.

Simulação de terremoto

As primeiras simulações de terremoto foram realizadas aplicando estaticamente algumas forças de inércia horizontal baseadas em picos de aceleração do solo em escala a um modelo matemático de um edifício. Com o desenvolvimento das tecnologias computacionais, as abordagens estáticas começaram a dar lugar às dinâmicas .

Os experimentos dinâmicos em estruturas construtivas e não construtivas podem ser físicos, como testes de mesa vibratória , ou virtuais. Em ambos os casos, para verificar o desempenho sísmico esperado de uma estrutura, alguns pesquisadores preferem lidar com os chamados "históricos em tempo real", embora o último não possa ser "real" para um terremoto hipotético especificado por um código de construção ou por alguns requisitos de pesquisa particulares . Portanto, há um forte incentivo para realizar uma simulação de terremoto, que é a entrada sísmica que possui apenas as características essenciais de um evento real.

Às vezes, a simulação de terremoto é entendida como uma recriação dos efeitos locais de um forte tremor de terra.

Simulação de estrutura

Experimentos simultâneos com dois modelos de construção que são cinematicamente equivalentes a um protótipo real.

A avaliação teórica ou experimental do desempenho sísmico antecipado requer principalmente uma simulação de estrutura baseada no conceito de semelhança ou similaridade estrutural. Similaridade é algum grau de analogia ou semelhança entre dois ou mais objetos. A noção de similaridade se baseia em repetições exatas ou aproximadas de padrões nos itens comparados.

Em geral, diz-se que um modelo de construção tem similaridade com o objeto real se os dois compartilham similaridade geométrica , similaridade cinemática e similaridade dinâmica . O tipo de semelhança mais vívido e eficaz é o cinemático . A similaridade cinemática existe quando os caminhos e velocidades das partículas em movimento de um modelo e seu protótipo são semelhantes.

O nível máximo de similaridade cinemática é a equivalência cinemática quando, no caso da engenharia de terremotos, as histórias de tempo de cada deslocamento lateral do modelo e seu protótipo seriam as mesmas.

Controle de vibração sísmica

O controle de vibração sísmica é um conjunto de meios técnicos que visa mitigar os impactos sísmicos em estruturas edilícias e não edificiais. Todos os dispositivos de controle de vibração sísmica podem ser classificados como passivos , ativos ou híbridos, onde:

  • os dispositivos de controle passivo não têm capacidade de feedback entre eles, os elementos estruturais e o solo;
  • dispositivos de controle ativo incorporam instrumentação de registro em tempo real no solo integrada com equipamento de processamento de entrada de terremoto e atuadores dentro da estrutura;
  • dispositivos de controle híbrido combinam recursos de sistemas de controle ativo e passivo.

Quando as ondas sísmicas do solo alcançam e começam a penetrar na base de um edifício, sua densidade de fluxo de energia, devido aos reflexos, diminui drasticamente: geralmente, até 90%. No entanto, as porções restantes das ondas incidentes durante um grande terremoto ainda apresentam um enorme potencial devastador.

Depois que as ondas sísmicas entram em uma superestrutura , há uma série de maneiras de controlá-las a fim de amenizar seus efeitos danosos e melhorar o desempenho sísmico do edifício, por exemplo:

Mausoléu de Ciro , a estrutura de base isolada mais antiga do mundo

Dispositivos do último tipo, abreviado correspondentemente como TMD para o sintonizado ( passivo ), como AMD para o ativo e como HMD para os amortecedores de massa híbridos , foram estudados e instalados em prédios altos , predominantemente no Japão, por um quarto de um século.

No entanto, há outra abordagem: a supressão parcial do fluxo de energia sísmica na superestrutura conhecida como sísmica ou isolamento de base .

Para isso, algumas almofadas são inseridas em ou sob todos os principais elementos de transporte de carga na base do edifício, que devem desacoplar substancialmente uma superestrutura de sua subestrutura apoiada em um terreno balançando.

A primeira evidência de proteção contra terremotos usando o princípio de isolamento de base foi descoberta em Pasárgadae , uma cidade na antiga Pérsia, hoje Irã, e data do século 6 aC. Abaixo, há alguns exemplos de tecnologias de controle de vibração sísmica da atualidade.

Paredes de pedra seca no Peru

Paredes de pedra seca do Templo do Sol de Machu Picchu , Peru

O Peru é uma terra altamente sísmica ; durante séculos, a construção de pedra seca provou ser mais resistente a terremotos do que a argamassa. Os povos da civilização Inca eram mestres nas "paredes de pedra seca" polidas, chamadas de silhar , onde blocos de pedra eram cortados para se encaixarem perfeitamente sem qualquer argamassa . Os incas estavam entre os melhores pedreiros que o mundo já viu e muitas junções em sua alvenaria eram tão perfeitas que nem folhas de grama cabiam entre as pedras.

As pedras das paredes de pedra seca construídas pelos incas podiam mover-se ligeiramente e recolocar-se sem que as paredes desabassem, uma técnica de controle estrutural passivo que emprega tanto o princípio da dissipação de energia (amortecimento coulomb) quanto o da supressão das amplificações ressonantes .

Amortecedor de massa sintonizado

Normalmente, os amortecedores de massa sintonizados são enormes blocos de concreto montados em arranha - céus ou outras estruturas e se movem em oposição às oscilações de frequência de ressonância das estruturas por meio de algum tipo de mecanismo de mola.

O arranha-céu Taipei 101 precisa resistir a ventos de tufão e tremores de terremotos comuns nesta área da Ásia / Pacífico. Para isso, um pêndulo de aço de 660 toneladas métricas que serve como amortecedor de massa sintonizado foi projetado e instalado no topo da estrutura. Suspenso do 92º ao 88º andar, o pêndulo oscila para diminuir as amplificações ressonantes dos deslocamentos laterais do edifício causados ​​por terremotos e fortes rajadas .

Amortecedores histéricos

Um amortecedor histerético se destina a fornecer um desempenho sísmico melhor e mais confiável do que o de uma estrutura convencional, aumentando a dissipação da energia de entrada sísmica . Existem cinco grupos principais de amortecedores histéricos usados ​​para esse fim, a saber:

  • Amortecedores de fluido viscoso (FVDs)

Os amortecedores viscosos têm a vantagem de ser um sistema de amortecimento suplementar. Eles têm uma alça histerética oval e o amortecimento depende da velocidade. Embora alguma pequena manutenção seja potencialmente necessária, os amortecedores viscosos geralmente não precisam ser substituídos após um terremoto. Embora mais caros do que outras tecnologias de amortecimento, eles podem ser usados ​​para cargas sísmicas e de vento e são o amortecedor histérico mais comumente usado.

  • Amortecedores de fricção (FDs)

Amortecedores de fricção tendem a estar disponíveis em dois tipos principais, lineares e rotacionais e dissipam energia pelo calor. O amortecedor opera com base no princípio de um amortecedor coulomb . Dependendo do projeto, os amortecedores de fricção podem experimentar o fenômeno stick-slip e soldagem a frio . A principal desvantagem é que as superfícies de atrito podem se desgastar com o tempo e por isso não são recomendadas para dissipar as cargas do vento. Quando usado em aplicações sísmicas, o desgaste não é um problema e não há manutenção necessária. Eles têm um loop retangular histerético e, desde que o edifício seja suficientemente elástico, eles tendem a voltar às suas posições originais após um terremoto.

  • Amortecedores metálicos de rendimento (MYDs)

Amortecedores metálicos de rendimento, como o nome indica, cedem para absorver a energia do terremoto. Este tipo de amortecedor absorve uma grande quantidade de energia, porém deve ser substituído após um terremoto e pode impedir que o edifício volte à sua posição original.

  • Amortecedores viscoelásticos (VEDs)

Os amortecedores viscoelásticos são úteis porque podem ser usados ​​para aplicações de vento e sísmicas, geralmente são limitados a pequenos deslocamentos. Há alguma preocupação quanto à confiabilidade da tecnologia, pois algumas marcas foram proibidas de usar em edifícios nos Estados Unidos.

  • Amortecedores de pêndulo escarranchado (balanço)

Isolamento de base

O isolamento da base visa evitar que a energia cinética do terremoto seja transferida em energia elástica no edifício. Essas tecnologias isolam a estrutura do solo, permitindo que se movam de forma independente. O grau em que a energia é transferida para a estrutura e como a energia é dissipada variam dependendo da tecnologia usada.

  • Rolamento de borracha de chumbo
LRB sendo testado na instalação UCSD Caltrans-SRMD

O rolamento de borracha de chumbo ou LRB é um tipo de isolamento de base que utiliza um forte amortecimento . Foi inventado por Bill Robinson , um neozelandês.

Mecanismo de amortecimento pesado incorporado em tecnologias de controle de vibração e, particularmente, em dispositivos de isolamento de base, é frequentemente considerado uma fonte valiosa de supressão de vibrações, melhorando assim o desempenho sísmico de um edifício. No entanto, para os sistemas bastante flexíveis, como estruturas de base isolada, com uma rigidez de rolamento relativamente baixa, mas com um alto amortecimento, a chamada "força de amortecimento" pode se tornar a principal força de empuxo em um forte terremoto. O vídeo mostra um rolamento de borracha de chumbo sendo testado nas instalações da UCSD Caltrans-SRMD. O rolamento é feito de borracha com núcleo de chumbo. Foi um teste uniaxial no qual o rolamento também foi submetido a uma carga total da estrutura. Muitos edifícios e pontes, tanto na Nova Zelândia como em outros lugares, são protegidos com amortecedores de chumbo e rolamentos de chumbo e borracha. Te Papa Tongarewa , o museu nacional da Nova Zelândia e os edifícios do Parlamento da Nova Zelândia foram equipados com os rolamentos. Ambos estão em Wellington, que está em uma falha ativa .

  • Isolador de base de molas com amortecedor
Close de molas com amortecedor

O isolador de base de molas com amortecedor instalado sob uma casa de três andares, Santa Monica , Califórnia, é mostrado na foto tirada antes da exposição do terremoto de 1994 em Northridge . É um dispositivo de isolamento de base conceitualmente semelhante ao rolamento de borracha de chumbo .

Uma das duas casas geminadas de três andares como esta, que foi bem equipada para registrar acelerações verticais e horizontais em seus andares e no solo, sobreviveu a um forte abalo durante o terremoto de Northridge e deixou valiosas informações registradas para estudo posterior.

  • Rolamento de rolo simples

O rolamento de rolos simples é um dispositivo de isolamento básico que se destina à proteção de várias estruturas de edifícios e não de edifícios contra impactos laterais potencialmente prejudiciais de fortes terremotos.

Este suporte de mancal metálico pode ser adaptado, com certas precauções, como um isolador sísmico para arranha-céus e edifícios em solo macio. Recentemente, ele foi empregado com o nome de rolamento de rolos metálicos em um complexo habitacional (17 andares) em Tóquio, Japão .

  • Rolamento de pêndulo de fricção

Rolamento de pêndulo de fricção (FPB) é outro nome de sistema de pêndulo de fricção (FPS). Baseia-se em três pilares:

  • controle deslizante de fricção articulado;
  • superfície deslizante côncava esférica;
  • cilindro envolvente para restrição de deslocamento lateral.

Um instantâneo com o link para o videoclipe de um teste de mesa vibratória do sistema FPB com suporte a um modelo de construção rígido é apresentado à direita.

Projeto sísmico

O projeto sísmico é baseado em procedimentos, princípios e critérios de engenharia autorizados para projetar ou reformar estruturas sujeitas à exposição a terremotos. Esses critérios são consistentes apenas com o estado contemporâneo do conhecimento sobre estruturas de engenharia sísmicas . Portanto, um projeto de construção que segue exatamente os regulamentos do código sísmico não garante segurança contra colapso ou danos graves.

O preço de um projeto sísmico ruim pode ser enorme. No entanto, o projeto sísmico sempre foi um processo de tentativa e erro , seja baseado em leis físicas ou no conhecimento empírico do desempenho estrutural de diferentes formas e materiais.

Prefeitura de São Francisco destruída pelo terremoto e incêndio de 1906 .
São Francisco após o terremoto e incêndio de 1906

Para praticar projeto sísmico , análise sísmica ou avaliação sísmica de projetos de engenharia civil novos e existentes, um engenheiro deve, normalmente, passar no exame dos Princípios Sísmicos que, no Estado da Califórnia, incluem:

  • Dados sísmicos e critérios de projeto sísmico
  • Características sísmicas de sistemas projetados
  • Forças Sísmicas
  • Procedimentos de análise sísmica
  • Detalhamento Sísmico e Controle de Qualidade de Construção

Para construir sistemas estruturais complexos, o projeto sísmico usa amplamente o mesmo número relativamente pequeno de elementos estruturais básicos (para não falar dos dispositivos de controle de vibração) que qualquer projeto de projeto não sísmico.

Normalmente, de acordo com os códigos de construção, as estruturas são projetadas para "resistir" ao maior terremoto com certa probabilidade de ocorrer em sua localização. Isso significa que a perda de vidas deve ser minimizada, evitando o colapso dos edifícios.

O projeto sísmico é realizado compreendendo os possíveis modos de falha de uma estrutura e fornecendo à estrutura a resistência , rigidez , ductilidade e configuração adequadas para garantir que esses modos não ocorram.

Requisitos de projeto sísmico

Os requisitos de projeto sísmico dependem do tipo de estrutura, localidade do projeto e suas autoridades, que estipulam códigos e critérios de projeto sísmico aplicáveis. Por exemplo, os requisitos do Departamento de Transporte da Califórnia , chamados de Critérios de Projeto Sísmico (SDC) e voltados para o projeto de novas pontes na Califórnia, incorporam uma abordagem inovadora baseada no desempenho sísmico.

A característica mais significativa na filosofia de projeto SDC é uma mudança de uma avaliação baseada na força da demanda sísmica para uma avaliação baseada no deslocamento da demanda e capacidade. Assim, a abordagem de deslocamento recentemente adotada é baseada na comparação da demanda de deslocamento elástico com a capacidade de deslocamento inelástica dos componentes estruturais primários, garantindo um nível mínimo de capacidade inelástica em todos os locais de dobradiça de plástico em potencial.

Além da própria estrutura projetada, os requisitos de projeto sísmico podem incluir uma estabilização do solo por baixo da estrutura: às vezes, o solo fortemente agitado se rompe, o que leva ao colapso da estrutura assentada sobre ele. Os seguintes tópicos devem ser de preocupação principal: liquefação; pressões de terra laterais dinâmicas nos muros de arrimo; estabilidade de taludes sísmicos; assentamento induzido pelo terremoto.

As instalações nucleares não devem comprometer sua segurança em caso de terremotos ou outros eventos externos hostis. Portanto, seu projeto sísmico é baseado em critérios muito mais rigorosos do que aqueles aplicáveis ​​a instalações não nucleares. Os acidentes nucleares de Fukushima I e os danos a outras instalações nucleares que se seguiram ao terremoto e tsunami de Tōhoku em 2011 , no entanto, chamaram a atenção para as preocupações em curso sobre os padrões de projeto sísmicos nucleares japoneses e levaram muitos outros governos a reavaliar seus programas nucleares . Também foram expressas dúvidas sobre a avaliação sísmica e o projeto de algumas outras usinas, incluindo a Usina Nuclear de Fessenheim na França.

Modos de falha

O modo de falha é a maneira pela qual uma falha induzida por terremoto é observada. Geralmente, descreve a forma como a falha ocorre. Embora caro e demorado, aprender com cada falha de terremoto real continua sendo uma receita de rotina para o avanço nos métodos de projeto sísmico . Abaixo, alguns modos típicos de falhas geradas por terremotos são apresentados.

Danos típicos a edifícios de alvenaria não reforçada em terremotos

A falta de reforço juntamente com argamassa pobre e amarrações inadequadas de telhado a parede podem resultar em danos substanciais a uma construção de alvenaria não reforçada . Paredes severamente rachadas ou inclinadas são alguns dos danos mais comuns do terremoto. Também perigosos são os danos que podem ocorrer entre as paredes e o telhado ou os diafragmas do piso. A separação entre a moldura e as paredes pode comprometer a sustentação vertical dos sistemas de cobertura e piso.

Desmoronamento suave da história devido à resistência ao cisalhamento inadequada no nível do solo, terremoto de Loma Prieta

Efeito de história suave . A ausência de rigidez adequada no nível do solo causou danos a esta estrutura. Um exame atento da imagem revela que o revestimento da placa áspera, uma vez coberto por um verniz de tijolo , foi completamente desmontado do studwall. Apenas a rigidez do piso superior, combinada com o apoio nos dois lados ocultos por paredes contínuas, não penetradas por grandes portas como nas laterais da rua, está evitando o colapso total da estrutura.

Liquefação do solo . Nos casos em que o solo consiste em materiais granulares depositados soltos com tendência a desenvolver pressão de água de poro hidrostática excessiva de magnitude suficiente e compacta, a liquefação desses depósitos saturados soltos pode resultar em assentamentos não uniformese inclinação das estruturas. Isso causou grandes danos a milhares de edifícios em Niigata, Japão, durante o terremoto de 1964 .

Carro esmagado por uma rocha deslizante , terremoto de Sichuan em 2008

Queda de rocha de deslizamento de terra . Um deslizamento de terra é um fenômeno geológico que inclui uma ampla gama de movimentos do solo, incluindo quedas de rochas . Normalmente, a ação da gravidade é a principal força motriz para a ocorrência de um deslizamento, embora neste caso houvesse outro fator contribuinte que afetou a estabilidade original do talude : o deslizamento exigiu um disparador de terremoto antes de ser liberado.

Efeitos de bater contra o prédio adjacente, Loma Prieta

Batendo contra o prédio adjacente . Esta é uma fotografia da torre de cinco andares desabada, Seminário St. Joseph, Los Altos, Califórnia, que resultou em uma fatalidade. Durante o terremoto Loma Prieta , a torre bateu contra o prédio adjacente que vibrava independentemente. A possibilidade de pancadas depende dos deslocamentos laterais de ambos os edifícios, que devem ser estimados e contabilizados com precisão.

Efeitos de juntas completamente estilhaçadas de estrutura de concreto, Northridge

No terremoto de Northridge , o prédio de escritórios com estrutura de concreto Kaiser Permanente teve juntas completamente destruídas, revelando aço de confinamento inadequado , o que resultou no colapso do segundo andar. No sentido transversal, paredes mistas de cisalhamento final , constituídas por duas camadas de tijolo e uma camada de concreto projetado que suportavam a carga lateral, se separaram por causa de passantes inadequados e se romperam.

  • Canteiro de obras impróprio em um sopé .
  • Mau detalhamento da armadura (falta de confinamento do concreto nos pilares e nas juntas viga-pilar, comprimento de emenda inadequado).
  • História suave sismicamente fraca no primeiro andar.
  • Cantiléveres longos com grande peso morto .
mudando de fundação, Whittier

Efeito deslizante das fundações de uma estrutura de edifício residencial relativamente rígida durante o terremoto de Whittier Narrows de 1987 . O terremoto de magnitude 5,9 atingiu o edifício Garvey West Apartment em Monterey Park, Califórnia, e deslocou sua superestrutura cerca de 25 centímetros para o leste em sua fundação.

Danos do terremoto em Pichilemu

Se uma superestrutura não for montada em um sistema de isolamento de base , seu deslocamento no porão deve ser evitado.

O reforço de cisalhamento insuficiente permitiu que os vergalhões principais dobrassem , Northridge

Concreto armado coluna estourar no terremoto de Northridge , devido à insuficiente modo de armadura de cisalhamento que permite o reforço principal para fivela para fora. O convés caiu na dobradiça e falhou no cisalhamento. Como resultado, a seção de passagem subterrânea La Cienega-Veneza da rodovia 10 entrou em colapso.

Colunas de suporte e falha do convés superior, terremoto Loma Prieta

Terremoto Loma Prieta : vista lateral da falha das colunas de suporte de concreto armado que desencadeou o colapso do convés superior no convés inferior do viaduto Cypress de dois níveis da rodovia interestadual 880, Oakland, CA.

Falha do muro de arrimo devido ao movimento do solo, Loma Prieta

Ruptura do muro de contenção no terremoto Loma Prieta na área das montanhas de Santa Cruz: fissuras extensionais proeminentes de tendência noroeste de até 12 cm (4,7 pol.) De largura no vertedouro de concreto para a Barragem Austríaca, o encontro norte .

Modo de espalhamento lateral de falha de aterramento, Loma Prieta

O tremor do solo desencadeou a liquefação do solo em uma camada subsuperficial de areia , produzindo um movimento lateral e vertical diferencial em uma carapaça sobreposta de areia e lodo não liquidificados . Este modo de falha de aterramento , denominado espalhamento lateral , é a principal causa dos danos do terremoto relacionados à liquefação.

Rachadura diagonal das vigas e colunas do cais, terremoto de Sichuan de 2008

Edifício do Banco de Desenvolvimento Agrícola da China seriamente danificado após o terremoto de Sichuan em 2008 : a maioria das vigas e colunas do cais foram cortadas . Grandes fissuras diagonais na alvenaria e no folheado são causadas por cargas no plano, enquanto o assentamento abrupto da extremidade direita do edifício deve ser atribuído a um aterro sanitário que pode ser perigoso mesmo sem terremoto.

Tsunami atinge Ao Nang ,

Impacto duplo do tsunami : pressão hidráulica das ondas do mar e inundação . Assim, o terremoto do Oceano Índico de 26 de dezembro de 2004, com epicentro na costa oeste de Sumatra , Indonésia, desencadeou uma série de tsunamis devastadores, matando mais de 230.000 pessoas em onze países, inundando as comunidades costeiras vizinhas com ondas enormes de até 30 metros (100 pés) de altura.

Construção resistente a terremotos

A construção sísmica significa a implementação de um projeto sísmico para permitir que as estruturas de edifícios e outras estruturas sobrevivam à exposição prevista ao terremoto de acordo com as expectativas e em conformidade com os códigos de construção aplicáveis .

Construção da Torre do Rio das Pérolas com reforço em X para resistir às forças laterais de terremotos e ventos

Design e construção estão intimamente relacionados. Para conseguir um bom acabamento, o detalhamento dos membros e suas conexões deve ser o mais simples possível. Como toda construção em geral, a construção sísmica é um processo que consiste na construção, reforma ou montagem da infraestrutura de acordo com os materiais de construção disponíveis.

A ação desestabilizadora de um terremoto nas construções pode ser direta (movimento sísmico do solo) ou indireta (deslizamentos de terra provocados pelo terremoto, liquefação do solo e ondas de tsunami).

Uma estrutura pode ter todas as aparências de estabilidade, mas não oferece nada além de perigo quando ocorre um terremoto. O fato crucial é que, para a segurança, técnicas de construção resistentes a terremotos são tão importantes quanto o controle de qualidade e o uso de materiais corretos. O empreiteiro do terremoto deve ser registrado no estado / província / país do local do projeto (dependendo dos regulamentos locais), estar sob fiança e segurado .

Para minimizar possíveis perdas , o processo de construção deve ser organizado tendo em mente que o terremoto pode ocorrer a qualquer momento antes do final da construção.

Cada projeto de construção requer uma equipe qualificada de profissionais que entendam as características básicas do desempenho sísmico de diferentes estruturas, bem como a gestão da construção .

Estruturas Adobe

Edifício de adobe parcialmente destruído em Westmorland, Califórnia

Cerca de trinta por cento da população mundial vive ou trabalha na construção de terra. O tipo Adobe de tijolos de lama é um dos materiais de construção mais antigos e mais usados. O uso de adobe é muito comum em algumas das regiões mais propensas a perigos do mundo, tradicionalmente na América Latina, África, subcontinente indiano e outras partes da Ásia, Oriente Médio e Sul da Europa.

Edifícios Adobe são considerados muito vulneráveis ​​a terremotos fortes. No entanto, estão disponíveis várias formas de reforço sísmico de edifícios novos e existentes de adobe.

Os principais fatores para o melhor desempenho sísmico da construção em adobe são:

  • Qualidade de construção.
  • Layout compacto, tipo caixa.
  • Reforço sísmico.

Estruturas de calcário e arenito

Edifício City and County com base isolada, Salt Lake City , Utah

O calcário é muito comum na arquitetura, especialmente na América do Norte e na Europa. Muitos marcos em todo o mundo são feitos de calcário. Muitas igrejas e castelos medievais na Europa são feitos de alvenaria de calcário e arenito . Eles são materiais de longa duração, mas seu peso bastante pesado não é benéfico para o desempenho sísmico adequado.

A aplicação de tecnologia moderna ao retrofit sísmico pode aumentar a capacidade de sobrevivência de estruturas de alvenaria não reforçada. Por exemplo, de 1973 a 1989, o Salt Lake City and County Building em Utah foi exaustivamente reformado e reparado com ênfase na preservação da precisão histórica na aparência. Isso foi feito em conjunto com uma atualização sísmica que colocou a estrutura de arenito fraco na base de isolamento para melhor protegê-la dos danos do terremoto.

Estruturas de quadro de madeira

Casa de Anne Hvide , Dinamarca (1560)

A estrutura de madeira remonta a milhares de anos e foi usada em muitas partes do mundo durante vários períodos, como o Japão antigo, a Europa e a Inglaterra medieval, em localidades onde a madeira era abundante e as pedras para construção e as habilidades para trabalhá-la não eram.

O uso de estrutura de madeira em edifícios fornece sua estrutura esquelética completa, que oferece alguns benefícios estruturais, pois a estrutura de madeira, se projetada adequadamente, se presta a uma melhor sobrevivência sísmica .

Estruturas de moldura de luz

Uma estrutura de madeira de dois andares para uma estrutura de edifício residencial

Estruturas de moldura leve geralmente ganham resistência sísmica de paredes de cisalhamento de compensado rígido e diafragmas de painéis estruturais de madeira . Disposições especiais para sistemas de resistência à carga sísmica para todas as estruturas de madeira projetadas requerem consideração das relações do diafragma, tesouras de diafragma horizontais e verticais e valores de conectores / fixadores . Além disso, são necessários coletores ou escoras de arrasto para distribuir o cisalhamento ao longo do comprimento do diafragma.

Estruturas de alvenaria reforçada

Parede de alvenaria oca reforçada

Um sistema de construção onde a armadura de aço é embutida nas juntas de argamassa da alvenaria ou colocada em furos e que são preenchidos com concreto ou graute é chamado de alvenaria armada . Existem várias práticas e técnicas para reforçar a alvenaria. O tipo mais comum é a alvenaria de unidade oca reforçada .

Para obter um comportamento dúctil em alvenaria, é necessário que a resistência ao cisalhamento da parede seja superior à resistência à flexão . A eficácia das armaduras verticais e horizontais depende do tipo e da qualidade das unidades de alvenaria e argamassa .

O devastador terremoto de Long Beach em 1933 revelou que a alvenaria está sujeita a danos causados ​​pelo terremoto, o que levou o Código do Estado da Califórnia a tornar o reforço de alvenaria obrigatório em toda a Califórnia.

Estruturas de concreto armado

Ponte de pedestres Stressed Ribbon sobre o Rogue River, Grants Pass, Oregon
Ponte estaiada de concreto protendido sobre o rio Yangtze

O concreto armado é o concreto no qual barras de reforço de aço ( vergalhões ) ou fibras foram incorporadas para fortalecer um material que, de outra forma, seria quebradiço . Ele pode ser usado para produzir vigas , colunas , pisos ou pontes.

O concreto protendido é um tipo de concreto armado usado para superar a fraqueza natural do concreto na tração. Pode ser aplicado em vigas , pisos ou pontes com um vão mais longo do que o prático com concreto armado comum. Os tendões de protensão (geralmente de cabos ou hastes de aço de alta resistência) são usados ​​para fornecer uma carga de fixação que produz uma tensão de compressão que compensa a tensão de tração que o membro de compressão de concreto experimentaria, de outra forma, devido a uma carga de flexão.

Para evitar o colapso catastrófico em resposta ao tremor de terra (no interesse da segurança da vida), uma estrutura de concreto armado tradicional deve ter juntas dúcteis . Dependendo dos métodos usados ​​e das forças sísmicas impostas, tais edifícios podem ser imediatamente utilizáveis, requerem reparos extensos ou podem ter que ser demolidos.

Estruturas protendidas

Estrutura protendida é aquela cuja integridade geral , estabilidade e segurança dependem, principalmente, de uma protensão . Protensão significa a criação intencional de tensões permanentes em uma estrutura com a finalidade de melhorar seu desempenho em várias condições de serviço.

Parede externa naturalmente pré-comprimida do Coliseu , Roma

Existem os seguintes tipos básicos de protensão:

  • Pré-compressão (principalmente, com o próprio peso de uma estrutura)
  • Pré - tensionamento com tendões embutidos de alta resistência
  • Pós-tensionamento com tendões ligados ou não ligados de alta resistência

Hoje, o conceito de estrutura protendida é amplamente utilizado no projeto de edifícios , estruturas subterrâneas, torres de TV, usinas de energia, armazenamento flutuante e instalações offshore, vasos de reatores nucleares e vários tipos de sistemas de pontes .

Uma ideia benéfica de protensão era, aparentemente, familiar aos arquitetos da Roma Antiga; observe, por exemplo, a parede alta do sótão do Coliseu funcionando como um dispositivo de estabilização para os pilares da parede abaixo.

Estruturas de aço

Seção desmoronada da ponte San Francisco-Oakland Bay Bridge em resposta ao terremoto Loma Prieta

As estruturas de aço são consideradas principalmente resistentes a terremotos, mas ocorreram algumas falhas. Um grande número de edifícios de estrutura resistente a momentos de aço soldado , que pareciam à prova de terremotos, surpreendentemente experimentaram um comportamento frágil e foram perigosamente danificados no terremoto de Northridge de 1994 . Depois disso, a Federal Emergency Management Agency (FEMA) iniciou o desenvolvimento de técnicas de reparo e novas abordagens de projeto para minimizar os danos aos edifícios de aço momentâneo em futuros terremotos.

Para projetos sísmicos de aço estrutural com base na abordagem de Carga e Fator de Resistência (LRFD), é muito importante avaliar a capacidade de uma estrutura de desenvolver e manter sua resistência de rolamento na faixa inelástica . Uma medida dessa habilidade é a ductilidade , que pode ser observada no próprio material , em um elemento estrutural ou em toda uma estrutura .

Como consequência da experiência do terremoto de Northridge , o American Institute of Steel Construction introduziu o AISC 358 "Conexões pré-qualificadas para estruturas de momento de aço especiais e intermediárias". As Provisões de Projeto Sísmico AISC exigem que todas as Estruturas de Resistência ao Momento de Aço empreguem as conexões contidas no AISC 358 ou o uso de conexões que foram submetidas a testes cíclicos de pré-qualificação.

Previsão de perdas terremoto

A estimativa de perda do terremoto é geralmente definida como uma Razão de Danos ( DR ), que é uma razão entre o custo de reparo dos danos do terremoto e o valor total de um edifício. Perda máxima provável ( PML ) é um termo comum usado para estimativa de perda sísmica, mas carece de uma definição precisa. Em 1999, o ASTM E2026 'Guia padrão para estimativa de danos de construção em terremotos' foi produzido a fim de padronizar a nomenclatura para estimativa de perda sísmica, bem como estabelecer diretrizes quanto ao processo de revisão e as qualificações do revisor.

As estimativas de perdas sísmicas também são chamadas de Avaliações de Risco Sísmico . O processo de avaliação de risco geralmente envolve a determinação da probabilidade de vários movimentos do solo juntamente com a vulnerabilidade ou dano do edifício sob esses movimentos do solo. Os resultados são definidos como uma porcentagem do valor de substituição do edifício.

Veja também

Referências

links externos