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DECivil

ICISTVulnerabilidade Sísmica de

Edifícios Antigos de Alvenaria da Cidade de Lisboa

Rafaela Cardoso - Assistente – ICIST DECivil, Secção de Geotecnia

Mário Lopes - Professor Auxiliar – ICIST DECivil, Secção de Mecânica Aplicada

Rita Bento - Professora Auxiliar – ICIST DECivil, Secção de Mecânica Aplicada

Instituto Superior Técnico

Lisboa, 2 de Julho de 2003

COLÓQUIO

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ICIST

Índice

1. Introdução

2. As acções sísmicas

3. Edifícios de alvenaria de Lisboa

4. Estudo de um Edifício-exemplo

5. Soluções usuais de reforço

6. O estado actual dos edifícios

Pombalinos

7. Conclusões

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1. Introdução

Sismos no passado e sismos recentes mostram mau

comportamento dos edifícios de alvenaria para as acções

dinâmicas

justificam a preocupação com

a segurança destas estruturas

Utilização actual

Estado de conservação

Ausência de manutenção

Alterações estruturais

Avaliação da vulnerabilidade sísmica

Políticas de mitigação do risco sísmico

Lisboa:

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2. Acções sísmicas

• Acção Dinâmica 3D variável no tempo

• Acção Cíclica (Grandes sismos em Lisboa: T200-300 anos)

Sismo:

A acção sísmica pode ser quantificada através de:

• Espectros de resposta

f (Hz)

Sa (cm/s2) Sismo 1

Sismo 2

t

ü(t)

• Acelerogramas

• Forças estáticas

equivalentes

FE

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Edifícios de alvenaria: Mecanismos de colapso

[Carvalho e Oliveira, 1997]

As paredes B são resistentes mas não apoiam as paredes A

Neste caso, as paredes B suportam as paredes A

As paredes A têm pouca resistência e, na falta de ligação, não se

podem apoiar nas paredes B, melhor

dispostas para resistir

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3. Edifícios antigos de alvenaria de Lisboa

LEGENDA:A - EDIFÍCIOS DE ALVENARIA (<1755)B - EDIFÍCIOS POMBALINOS E SEMELHANTES (1755 a 1880)C - EDIFÍCIOS ALTOS DE ALVENARIA COM PAVIMENTOS DE MADEIRA OU DE BETÃO E PAREDES RESISTENTES DE ALVENARIA (1880 a 1940)D – EDIFÍCIOS DE ALVENARIA, COM PAVIMENTOS EM BETÃO OU COM ESTRUTURA PORTICADA DE BETÃO (1940 a 1960) E – EDIFÍCIOS RECENTES DE BETÃO ARMADO (>1960)

[in Mendes-Victor et al, 1993]

Baixa

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Edifício de alvenaria da Baixa: Edifício de Rendimento Pombalino

águas

furtadas

paredes

interiores

de frontal

Cruzes de Santo André

com várias geometrias possíveis

Número máximo de pisos: 3 + piso térreo

Fundações indirectas

através de estacas

curtas de pequeno

diâmetro

Abóbadas de

alvenaria de

blocos cerâmicos

e arcos de pedra

pavimentos

de madeira

Parede

corta-fogo

[Mascarenhas, 1997]

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Gaiola Pombalina: Estrutura anti-sísmica de madeira

Tabique

Estrutura 3D

da gaiola

Tectos e

pavimentos

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ICIST

Edifícios Pombalinos

(1755 a 1880)

Gaiola Pombalina Estrutura 3D de madeira

• Estrutura 3D de madeira:

Gaiola Pombalina

• Pavimentos em madeira

• Paredes exteriores de

alvenaria

[Mascarenhas, 1997]

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ICIST

Edifícios Gaioleiros

(1800 a 1940)

• Paredes interiores (Frontais

pombalinos) substituídas por

alvenaria ou por tabiques de

madeira.

• Pavimentos em madeira.

• Maior nº de pisos.

• Marquises em ferro fundido.

Tabiques

[Mascarenhas, 1997]

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ICIST

Edifícios de ‘Placa’

(1940 a 1960)

Lajes

finas

de

betão

[Mascarenhas, 1997]

• Paredes interiores de

alvenaria.

• Pavimentos de madeira

substituídos por lajes

finas de betão.

• Marquises e varandas

em B.A.

Paredes

de alvenaria

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ICIST

4. Estudo de um Edifício-exemplo

Rua da Prata, 210 a 212

Cobertura

Entrada principal

. Peças desenhadas

existentes sobre o

edifício-exemplo

. Técnicas construtivas

correntes na época da

sua construção

. Modelos de

comportamento dos

materiais estruturais

Elementos

consultados:

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ICIST

Peças desenhadas: in [Santos, 2000]

Alçado principal do quarteirão

Planta-tipo

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ICIST

Objectivo: análise da vulnerabilidade sísmica

Viabilidade

em Projecto

. Programa de cálculo comercial (SAP2000®)

. Cálculo linear da estrutura

. Acção sísmica - espectros de resposta (RSA)

Recurso a técnicas de inspecção

e a ensaios in situ

• Levantamento

(geometria real da estrutura)

• Caracterização dos materiais estruturais

(resistência e deformabilidade)

não destrutivos

ou

semi destrutivos

Calibração do modelo:

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Modelo Numérico (SAP2000®)

Abóbadas

(cruzes)

Travamentos

Pavimentos

Elementos finitos 2D (shell) Elementos de Barra

Alvenaria Frontais

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f=0,942Hz

com gaiola

f=0,398Hz

sem gaiola

1º Modo de Vibração

Sem a gaiola,

as paredes de

alvenaria vibram

independentemente

umas das outras.

Com a gaiola,

as paredes de

alvenaria

vibram em

conjunto.Corte Lateral

Planta

Planta

Presença da Gaiola: Aumento da Rigidez Global do Edifício

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ICIST

Presença da Gaiola: Contraventamento das paredes de alvenaria

Contraventamento das paredes de alvenaria

Evolução dos deslocamentos da fachada para fora do seu plano no alinhamento vertical M e no alinhamento vertical P, com e sem a gaiola de madeira

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0

d (cm)

h (

m)

Alinhamento vertical M (sem gaiola) Alinhamento vertical M (com gaiola)

Alinhamento vertical P (sem gaiola) Alinhamento vertical P (com gaiola)

Deslocamento relativo sem gaiola: 15,7 cm

Deslocamento relativo com gaiola: 4,7 cm

Evolução dos deslocamentos na fachada para fora do seu plano

P P M (com gaiola) M (sem gaiola)

Desloc. relativo sem gaiola: 15,7cm

Desloc. relativo com

gaiola: 4,7cm

F a c h a d a d a f r e n t e

E m p e n a d i r e i t a

E m p e n a e s q u e r d a

A l i n h a m e n t o d e f r o n t a l E

D E F O R M A D A D A F A C H A D A D A F R E N T E

C o m f r o n t a l

S e m f r o n t a l

P V M F a c h a d a d a f r e n t e

E m p e n a d i r e i t a

E m p e n a e s q u e r d a

A l i n h a m e n t o d e f r o n t a l E

P L A N T A

B a r r a s d o s p a v i m e n t o s

Alinh Frontal

Alinh Frontal

Emp. esquerda

Emp. esquerda

Emp. direita

Emp. direita

Pavimentos

Fachada da Frente

Fachada da Frente

Sem Gaiola

Com Gaiola

P V M

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ICIST2- Existência da Gaiola de Madeira: Acções Cíclicas

Resultados Experimentais de um painel de frontal ensaiado no LNEC

K0 - Rigidez

‘tangente’

experimental

Ksec - Rigidez

‘secante’

experimental

F

in [Ramos, 2002]

Edifício: principais fontes de não linearidade

1- Fendilhação da Alvenaria / Danos Localizados

Encastramento na base

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ICIST

FOLGAS

PREGOS

3- Rotura das Ligações dos Elementos de Madeira

4- Comportamento Não Linear da Alvenaria à Compressão

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ICIST

Análise não linear:

Processo iterativo

. Análise linear

. A estrutura a analisar

resulta da estrutura

analisada na iteração

anterior, após a remoção

das ligações em rotura

Em cada iteração:

K1 K2

K3

Carga de Colapso

sis

sis

(3)

sis (2)

sis (1)

Danos na Estrutura

Ponto de partida para a iteração seguinte

Evolução da Estrutura

em cada iteração

Colapso

Principal vantagem do

processo iterativo:

Detectar os ‘pontos fracos’ da

estrutura

[Cardoso, 2002]

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ICIST

Quantificação da vulnerabilidade sísmica:

sismáxFsd = FCQP + sis FE

Intensidade da

Acção Sísmica

de COLAPSOCálculo de danos para intensidades

crescentes da acção sísmica

Danos na alvenaria devido a tracção

sis= 0.20 sis= 0.25 sis= 0.30

Mapas de danos na alvenaria: Fachada da Frente

Deformada da

fachada da frente

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ICIST

1ª Iteração

2ª Iteração

3ª Iteração

sis=0,25

sis=0,25

sis=0,25

Mecanismo de colapso do edifício-exemplo

sismáx =0,25

COLAPSO: Destacamento da

fachada e queda da cobertura

Sismo de 9 de

Julho de 1988

Fotografias tiradas

na Horta - Açores,

2001

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ICIST

Sismo de 9 de Julho de

1998 - Fotografia tirada na

Horta - Açores, 1998

Concepção original: Queda das

fachadas mantendo a estrutura 3D da

gaiola intacta, salvando as vidas no

seu interior.

Depende do

nº de pisos

do edifício...

[Mascarenhas, 1997]

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ICIST

Mecanismo de corte na base do edifício

COLAPSO GLOBAL:

[Croci, 1988] sismáx =0,70

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ICIST

Estudo da eficiência de uma solução de reforço

Viga de B.A. (0,6mx0,25m)

[Costa e Vasconcelos, 2001]Evolução dos deslocamentos

antes e após o reforço

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

d (cm)

h (

m)

Alinh Vert M (sem Reforço)

Alinh Vert V (sem reforço)

Alinh Vert M (com Reforço)

Alinh Vert V (com Reforço)

V M

(s/reforço)

(c/reforço) V

M

Evolução dos deslocamentos da

fachada antes e após reforço

P V M Fachada da frente

Empena direita

Empena esquerda

Alinhamento de frontal E

PLANTA

Barras dos pavimentos

Alinh Frontal EEmp. esquerda

Emp. direita

Pavimentos

Fachada da Frente

P V M

sismáx =0,45

Mecanismo de colapso

após reforço: Efeito de Pipa

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ICIST

Síntese dos resultados obtidos no modelo

sismáx =1,50

Valor Regulamentar:

(Edifícios Novos)

sismáx=0,25 sis

máx=0,45 sismáx=0,70

Edifício-Exemplo

Edifício Reforçado

Colapso Parcial:

queda da cobertura

e da fachada da

frente (dominó)

Corte BasalEfeito de pipa

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. Vulnerabilidade sísmica do edifício

. Quantificação da melhoria após reforço

(eficiência da solução adoptada)

. Comparação de várias soluções de reforço

Informações fornecidas pelo valor sismáx:

Os valores obtidos para sismáx são indicativos

(Modelo ligeiramente conservativo)

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Mecanismo de Colapso

Reforço vertical com tirantes

Reforço horizontal com vigas ao nível dos pisos

Reforço vertical: tirantes

Tirantes de aço

Reforço horizontal: vigas ao nível dos pisos

[Croci, 1988]

[Carvalho e Oliveira, 1997]

5. Soluções usuais de reforço

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ICIST

Mecanismo de Colapso: Corte na Base

Reforço das

Ligações dos

pisos às paredes

de alvenaria

Alternativas:

• Injecção de caldas de

cal / cimento

• Injecção de resinas

[Silva,2001]

Malha de aço

Ligadores

metálicos

[Silva, 2001]

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6. O estado actual dos edifíciosPombalinos

Edifícios que mantêm a estrutura original

Intervenções ligeiras de conservação e manutenção

As obras de conservação e reabilitação

urbana são não estruturais !

Adaptação a novas funcionalidades

Edifícios que sofreram alterações

A grande maioria das alterações estruturais

observadas muitas vezes são nocivas do ponto

de vista da resistência às acções sísmicas

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Influência de alterações posteriores à construção

Continuidade vertical mantém-se

Circulação

de pessoas

• Abertura de montras

Continuidade interrompida

Mecanismo de

Corte Basal

• Remoção de paredes interiores e introdução

de elementos estruturais com rigidez diferente

Redistribuição

de esforços

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• Aumento do número de pisos

Massa e Finércia

aumentam no topo

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• Danificação dos frontais para a instalação de canalizações

Perda de

secção

Má solução Melhor

solução

Rigidez / Contraventamento diminuem

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7. Conclusões

. Valores obtidos para sismáx baixos Vulnerabilidade

sísmica elevada

Restantes edifícios de alvenaria de Lisboa?

Edifícios Pombalinos

Grande potencial de

recuperação devido à

existência da Gaiola

Resulta da concepção Pombalina de deixar cair as

fachadas para preservar a estrutura interior de

madeira e assim salvaguardar a vida dos

ocupantes

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ICIST Identificação dos

Mecanismos de colapso

Reforço Sísmico

destes edifícios

Quantificação da melhoria do

comportamento expectável

para as acções sísmicas

. Modelo numérico:

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ICIST

Excepção:

Açores

Políticas adoptadas para intervenção neste tipo de

estruturas:Programas de

Reabilitação UrbanaIntervenções estruturais

para reforço sísmico

Deveriam incluir

(Intervenções não

estruturais)

Sensibilização

População

Meio Político, etc

Quais os Custos?

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ICIST

AgradecimentosAo Sr Engº João Appleton, pela partilha generosa do seu imenso

conhecimento neste assunto.

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ICIST

Para mais informações:

SPES – Sociedade Portuguesa de

engenharia Sísmica

EERI – Earthquake Engineering

Research Institute

www.spes-sismica.org

www.EERI.org

World Housing Encyclopedia www.world-housing.net(Portugal - Edifícios Pombalinos)

www.civil.ist.utl.pt/~rafaelaPublicação disponível em:

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ICIST

Referências•[Alvarez, 2000] Mª Lourdes Alvarez, Baixa Pombalina, Síntese de um trabalho de investigação em várias

disciplinas, indo desde a prospecção geofísica à prospectiva sociológica, tendo em vista uma acção de

planeamento urbanístico, Câmara Municipal de Lisboa, Lisboa, 2000

•[Appleton, 2001] J. Appleton, O Megassismo de Lisboa no século XXI ou Vulnerabilidade Sísmica do Parque

Edificado de Lisboa, artigo publicado em Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado, SPES –

Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica e GECoRPA – Grémio das Empresas de Conservação e

Restauro do Património Arquitectónico, A. Ravarra, C. S. Oliveira, E. C. Carvalho, M. S. Lopes, P. T. Costa, R.

Delgado, R. Bairrão, V. C. Silva, Lisboa, Abril de 2001

•[Cardoso, Lopes e Bento, 2001] R. Cardoso, M. Lopes, R. Bento – Avaliação Sísmica de Edifícios Antigos de

Alvenaria, Proc. Sísmica 2001, S. Miguel - Açores, Outubro de 2001

•[Cardoso, 2002] R. Cardoso – Vulnerabilidade Sísmica de Estruturas Antigas de Alvenaria – Aplicação a um

Edifício Pombalino, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Estruturas, IST,

Outubro de 2002

•[Carvalho e Oliveira, 1997] E. C. Carvalho, C. S. Oliveira, Construção Anti-Sísmica - Edificios de Pequeno

Porte, ICT, Informação Técnica Estruturas LNEC, DIT 13, Lisboa, 1997

•[Croci, 1988] G. Croci, The Conservation and Structural Restoration of Architectural Heritage, Computational

Mechanics Publications, 1988

•[França, 1987] J. A. França, Lisboa Pombalina e o Iluminismo, Bertrand Editora, 1987

•[Lopes e Azevedo, 1996] M. Lopes; J. Azevedo, Análise do Comportamento Sísmico de um Edifício

Tradicional de Alvenaria em Lisboa, Rel. AI nº1/96, IC/IST, Lisboa, 1996

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ICIST

•[Mascarenhas, 1994] J. Mascarenhas, Baixa Pombalina, Algumas Inovações Técnicas, 2º ENCORE, LNEC,

Lisboa, 1994

•[Mascarenhas, 1997] J. Mascarenhas, Evolução do Sistema Construtivo dos Edifícios de Rendimento da Baixa

Pombalina em Lisboa, Relacionada com as Condições Sísmicas do Local, 3º Encontro Sobre Sismologia e

Engenharia Sísmica, IST, Lisboa., 1997

•[Mendes-Victor et al, 1993] L. Mendes-Victor, C. S. Oliveira, I, Pais, P. Teves-Costa, Earthquake Damage

Scenarios in Lisbon for Disaster Preparedness, Artigo publicado em An Evaluation of Guidelines for Developing

Earthquake Damage Scenarios for Urban Areas, NATO Advanced Research Workshop, Instambul, Turkey,

October, 8-11-1993

•[Ramos, 2002] J. L. F. S. Ramos, Análise Experimental e Numérica de Estruturas Históricas de Alvenaria,

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Escola de Engenharia da Universidade do

Minho, Janeiro de 2002

•[Santos, 2000] M. H. R. Santos, A Baixa Pombalina. Passado e Futuro, Livros Horizonte, Lisboa, Janeiro de

2000

•[SAP2000, 1998] SAP2000, Three Dimensional Static and Dynamic Finite Element Analysis and Design of

Structures, Version 7.0, CSI, Computers & Structures, inc, Structural and Earthquake Engineering Software,

Berkeley, California, USA, October 1998

•[Silva, 2001] V. Cóias e Silva, Viabilidade Técnica de Execução do “Programa Nacional de Redução da

Vulnerabilidade Sísmica do Edificado”, artigo publicado em Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado,

SPES – Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica e GECoRPA – Grémio das Empresas de Conservação e

Restauro do Património Arquitectónico, A. Ravarra, C. S. Oliveira, E. C. Carvalho, M. S. Lopes, P. T. Costa, R.

Delgado, R. Bairrão, V. C. Silva, Lisboa, Abril de 2001