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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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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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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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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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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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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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Peças desenhadas: in [Santos, 2000]
Alçado principal do quarteirão
Planta-tipo
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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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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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FOLGAS
PREGOS
3- Rotura das Ligações dos Elementos de Madeira
4- Comportamento Não Linear da Alvenaria à Compressão
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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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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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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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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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Mecanismo de corte na base do edifício
COLAPSO GLOBAL:
[Croci, 1988] sismáx =0,70
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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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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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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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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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AgradecimentosAo Sr Engº João Appleton, pela partilha generosa do seu imenso
conhecimento neste assunto.
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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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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