Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
AVALIAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS
PARA A ACÇÃO SÍSMICA
Foto FEMA
António Costa
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Situações que conduzem ao reforço sísmico:
edifícios importantes para a protecção civil (hospitais, quartéis de bombeiros,
centrais de telecomunicações, ...)
pontes e viadutos em vias de acesso estratégicas
estruturas dimensionadas com base em regulamentos anteriores
− acção sísmica não contemplada ou com valor inferior à actual, concepção estrutural e pormenorizações não contemplando os efeitos dos sismos -
estruturas com fraca resistência à acção sísmica devido a deficiências
de concepção, projecto e/ou execução
edifícios com valor patrimonial elevado
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
REFORÇO SÍSMICO
1. AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL
Constitui a primeira fase da intervenção;
Consiste na identificação de todos os aspectos que conduzem a um
deficiente comportamento estrutural.
2. DEFINIÇÃO DA ESTRATÉGIA DE INTERVENÇÃO
Face às deficiências de comportamento da estruturas e aos
condicionamentos definir as metodologias de intervenção adequadas;
3. DIMENSIONAMENTO DO REFORÇO
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiências observadas no comportamento de
estruturas em sismos anteriores:
sistema estrutural (concepção geral dos edifícios)
− Irregularidades
cintagem das zonas críticas
– resistência e ductilidade do betão confinado
– encurvadura dos varões longitudinais
– resistência ao esforço transverso – roturas frágeis
pormenorização das armaduras
− amarração dos varões longitudinais das vigas
− emendas das armaduras dos pilares ao nível dos pisos
− amarração das cintas
resistência global insuficiente
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Comportamento deficiente a nível global
− Irregularidades em planta
− Irregularidades em altura
− Vigas robustas face a pilares fracos
− Elementos curtos
− Paredes de alvenaria
− Juntas sísmicas
− Elementos secundários
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Irregularidades em planta
Reentrâncias Concentração de esforços; torção
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Irregularidades em planta
FEMA 454
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Irregularidades em planta
Mecanismo de cedência parcial
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Irregularidades em altura – mecanismos de piso flexível
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Irregularidades em altura
Mecanismo de piso flexível
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Mecanismo de piso flexível
Irregularidades em altura
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Rotura por esforço transverso
Elementos curtos
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Paredes de alvenaria
Contribuição para a irregularidade em planta
CM
CR
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Paredes de alvenaria
Contribuição para a irregularidade em altura
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Paredes de alvenaria
Contribuição para a irregularidade em altura e efeitos locais
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Juntas sísmicas
Protecção contra colisões com estruturas adjacentes
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Comportamento deficiente a nível local
− Cintagem das zonas críticas
− Roturas por esforço transverso
− Nós de ligação pilar-viga
− Pormenorizações inadequadas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Comportamento deficiente originado por pormenorizações inadequadas
Armadura inferior insuficiente
Cintagem do pilar
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Comportamento deficiente originado por pormenorizações inadequadas
Cintagem dos nós
Emenda da armadura
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Consequências da deficiente cintagem das zonas críticas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Ductilidade local
Confinamento do betão
rotura por esmagamento do betão (falta de cintagem adequada)
mecanismo de rotura frágil (rotura por esforço transverso)
Verificação dos mecanismos frágeis
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Ductilidade local
Espaçamento das cintas
Amarração das cintas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Ductilidade local
Pormenorização dos estribos
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Estruturas com baixa rigidez lateral
Danos significativos em elementos secundários
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
A definição da estratégia de intervenção (tipo, técnicas e urgência da intervenção)
deve ser realizada com base nos resultados da avaliação estrutural.
Aspectos principais a considerar:
As deficiências mais importantes devem ser eliminadas;
No caso de edifícios com grandes irregularidades (relativamente à rigidez
e/ou resistência) a regularidade estrutural deve ser melhorada quer em planta
quer em alçado;
A melhoria das condições de regularidade pode ser realizada intervindo nos
elementos existentes (alterando a rigidez e resistência) ou introduzindo novos
elementos estruturais;
O aumento de resistência dos elementos reforçados não deve reduzir a
ductilidade.
Estratégias de intervenção
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Tipos de intervenção:
Reforço de elementos estruturais considerando a rigidez, resistência e ductilidade existentes e
as pretendidas ;
Adição de novos elementos estruturais: pilares, paredes, contraventamentos metálicos, …;
Alteração do sistema estrutural: eliminação de juntas de dilatação, aumento da dimensão das
juntas existentes, eliminação de elementos vulneráveis, …;
Adição de um novo sistema estrutural para resistir à totalidade ou a grande parte da acção
sísmica;
Transformação de elementos não estruturais em elementos estruturais;
Redução de massa; restrições à utilização;
Demolição parcial;
Introdução de sistemas de protecção passivos de dissipação ou isolamento de base;
e
Reforço de elementos não estruturais
Estratégias de intervenção
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Irregularidades em planta
Exemplos
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço da estrutura
Aumento da resistência
Aumento da rigidez
Aumento da ductilidade
Redução dos efeitos da acção
Sistemas de isolamento de base
Sistemas de dissipação de energia
Metodologias de intervenção
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Metodologias de intervenção
A – Reforço estrutural aumentando a capacidade resistente
B – Isolamento sísmico
C – Dissipação de energia
D – Isolamento mais dissipação
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
Período T (s)
Acele
ração
Se/a
g
2%
5%
10%
15%
20%30%
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
Período T (s)
Deslo
cam
en
to S
De/a
g
2%
5%
10%
15%
20%30%
Espectro de resposta de acelerações
Espectro de resposta de deslocamentos
Efeitos no comportamento da estrutura
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço baseado no acréscimo da capacidade resistente
e da ductilidade
Cuidados básicos na concepção do reforço
Não aumentar as assimetrias
Não fragilizar zonas da estrutura
Tentar colmatar as deficiências encontradas (globais e locais)
O reforço pode ser realizado por:
Introdução de novos elementos resistentes
paredes de betão armado
pórticos de betão armado
pórticos e treliças metálicas
Reforço de elementos existentes
encamisamento com betão
adição de chapas metálicas
adição de FRP
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Introdução de novos elementos resistentes
Paredes de betão armado
Elevada eficácia no controlo dos efeitos dos sismos (têm elevada resistência e rigidez)
Controlam os mecanismos de piso flexível
Reduzem a deformabilidade da estrutura
Apresentam dificuldades de execução
Dificuldades na fundação em edifícios sem caves
Pórticos de betão armado
Menor eficácia face às paredes de betão
Obrigam a intervir num maior número de locais
Distribuição mais uniforme da resistência
Em geral não se colocam problemas de fundação
Pórticos metálicos e sistemas treliçados
Menor acréscimo de massa à estrutura
Podem surgir problemas de fundação
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Paredes de betão armado Reforço global
Parede executada por preenchimento de vãos de pórticos
Parede isolada – dificuldade de fundação
Parede com fundação englobando as sapatas dos pilares
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço global
Localização mais adequada – nas empenas e junto aos acessos verticais
Reforço nas duas direcções
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço global
Reforço muito eficaz no controlo do comportamento global da estrutura face ao reforço local
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço global
Reforço da fundação
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço de elementos existentes
Encamisamento com betão
Bom funcionamento à tracção e compressão
Intervenção trabalhosa e com significativa interferência na utilização da estrutura
Utilização: reforço à flexão, esforço transverso, esforço axial, aumento da ductilidade
(confinamento), …
Adição de chapas e de FRP
Menor interferência na utilização da estrutura
Comportamento à compressão menos eficiente
Problema de ligação do reforço nos nós
Utilização: reforço ao esforço transverso, aumento da ductilidade (confinamento),
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Disposições de armaduras adicionais
Reforço de pilares por encamisamento
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Disposições de armaduras adicionais
Reforço de pilares por encamisamento
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Encamisamento global - Disposições de armaduras adicionais
Reforço de pilares por encamisamento
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço de pilares por encamisamento
Encamisamento parcial - Disposições de armaduras adicionais
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Disposições de armaduras adicionais
Reforço de pilares com chapas de aço
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço de pilares à flexão e ao esforço transverso
Reforço com cantoneiras metálicas nos cantos e chapas contínuas soldadas às cantoneiras
Reforço com chapas metálicas nos cantos e chapas horizontais espaçadas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
CONFINAMENTO AUMENTO SIGNIFICATIVO:
DUCTILIDADE
CAPACIDADE DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA
Reforço com FRP
Aumento da ductilidade e da resistência ao esforço transverso
Influência reduzida na resistência à flexão
Intervenção fácil e com pouca interferência na utilização da estrutura
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço por confinamento do betão
(a) aumento da capacidade de deformação lateral (aumento da capacidade de rotação da rótula plástica)
(b) prevenir rotura das emendas de armaduras
(c) prevenir a encurvadura dos varões longitudinais
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Confinamento e esforço transverso
Reforço de pilares com CFRP
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço por confinamento do betão
Equipamento para encamisamento automático de pilares com FRP
Pilares rectangulares podem ser
transformados numa secção oval de
modo a aumentar a eficácia do
confinamento
Aplicação a pilares de pontes
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
EFEITO DO CONFINAMENTO LATERAL NO COMPORTAMENTO DO BETÃO À
COMPRESSÃO
CONFINAMENTO DEVIDO ÀS CINTAS
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Aumento da ductilidade devido à cintagem (confinamento)
w = volume de estribos
volume de betão =
2 (b0 + h0) 2est
4 1
s
b0 h0
[EC2]
- factor de eficácia (forma da secção e espaçamento das cintas)
w = volume de estribos
volume de betão =
2 (b0 + h0) 2est
4 1
s
b0 h0 fyd/fcd
s fyd/fcd
fck,c = fck (1,00 + 5 2/fck) para 2 0,05 fck
fck,c = fck (1,125 + 2,50 2/fck) para 2 > 0,05 fck
c2,c = c2 (fck,c/fck)2
cu2,c = cu2 + 0,2 2/fck
2 – tensão efectiva de confinamento 2 / fck = 0,5 w
w – taxa mecânica volumétrica de cintas
EX: pilares rectangulares com cintas no contorno)
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Secções Rectangulares
= n . s
Factor de eficácia
666.03.03.06
15.081
2
n
694.03.02
10.01
3.02
10.01
s
46.0
Exemplo
Cintas Ø8//0.10
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Secções Circulares com cintas helicoidais
Secções Circulares
0.1n
86.07.02
10.01
2
s
86.0
= n . s Exemplo
Factor de eficácia
Cintas Ø12//0.10
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Exemplo
2 / fck = 0,5 w = 0,06
fck,c = fck (1,125 + 2,50 x0,06) = 1,275 fck
c2,c = c2 (1,275)2 = 1,626.c2 = 0,00325
cu2,c = 0,0035 + 0,012 = 0,0155
Comportamento com confinamento
d =0,4 (NEd = 4000 kN)
Cintas 12//0,10 wd = 0,14
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Ductilidade em curvatura (influência da armadura de confinamento)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60
MR
d [
kNm
]
Ø x 10-3 [m-1]
núcleo confinado
secção bruta
m ≈ 6,0
m ≈ 1,0
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
PILARES - DUCTILIDADE LOCAL w μ
58
xu = N / (0,8 b0 fcd) xu = bh / 0,8 b0, com = N / bh fcd
cu2,c = cu2 + 0,2 2 /fck = 0,0035 + 0,1 w
u = cu2,c /xu = (0,0035 + 0,1 w) 0,8 b0 / bh
y = sy / 0,45d sy / 0,4h
u = μ y 0,8 b0 (0,0035 + 0,1 w) / bh = μ . sy / 0,4h
w 30 μ . .sy . b/b0 - 0,035
2 / fck = 0,5 w
Confinamento do betão - EC2
Fs
_
+
s
cu2,c
M
As
As xu
fcd,c
Fc = N
Fs
0,8 xu
Øu N
b0
Ductilidade disponível: μ = u / y
u = cu2,c /xu
Ductilidade exigida:
m ≥ 2 q0 -1 se T1 ≥ TC
m ≥ 1 + 2 (q0 -1) TC /T1 se T1 < TC
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Efeito do confinamento com FRP
O confinamento com aço introduz uma tensão constante
após a cedência
O confinamento com FRP apresenta um comportamento
elástico até à rotura
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Efeito do confinamento com FRP
f f
l
Tensão lateral de confinamento
l = 2tf .f /D
l = 1/2 f f = 1/2 f Ef f com f = 4 tf/D; f = Ef f
l = 2tf/D . Ef f
f - tensão no FRP na direcção circunferencial l - tensão no FRP na direcção radial f – taxa volumétrica de FRP
Ef - módulo de elasticidade do FRP
tf - espessura do FRP
D - diâmetro do pilar
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Tensão efectiva de confinamento
l,eff = keff . l com l = 1/2 f Ef fd,e ; keff - factor de eficácia
keff = kH . kV . k
Factor de eficácia vertical
KV = Ae / Ag
Ag – área da secção transversal
Ae – área efectivamente confinada entre FRP KV =
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Factor de eficácia horizontal kH
Secções circulares: kH = 1
Secções rectangulares:
Factor de eficácia angular
f - inclinação das fibras
f = 0 k = 1
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Extensão efectiva de cálculo
fd,e = (regulamento italiano)
a – factor ambiental (a <1)
f - factor parcial de segurança relativo ao FRP (f =1.1 execução sob boas condições de controlo,
f =1.25 outras situações)
MODELO DE CONFINAMENTO
Spoelstra e Monti
fcu – resistência à compressão do betão confinado
fc0 – resistência à compressão do betão não confinado
cu - extensão última do betão confinado
c0 = 0.002
ju = f,e - extensão última efectiva do FRP
fd,e = 0,004 (EC8-3 – reforço ao esforço transverso de secções circulares)
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
ENSAIOS EXPERIMENTAIS
Ref. – “Comportamento de pilares de betão armado
reparados ou reforçados com encamisamento local”
António Cardoso, IST, 2003
REFORÇO DE PILARES PARA ACÇÕES
CÍCLICAS POR
CONFINAMENTO DO BETÃO COM CFRP
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
EXECUÇÃO DO REFORÇO
Preparação da superfície
Aplicação do sistema de reforço com mantas de fibras de carbono
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Diagramas carga – deslocamento
Pilar de referência
Pilar danificado, reparado com argamassa
e reforçado com duas camadas de fibra de
carbono
P3
P1
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Pilar reforçado com duas camadas de fibra de carbono
Pilar reforçado com quatro camadas de fibra de carbono
P7
P4
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Nós viga-pilar
Vn = (Mv+ + Mv
-) / hp
Os esforços de corte desenvolvidos nos nós são muito elevados
Vn / Vv = L / hp Vn ≈ 10 a 15 Vv
Vv = (Mv+ + Mv
-) / L
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reforço de paredes de enchimento com FRP
Objectivo: introduzir um tirante de modo a aumentar a capacidade da parede na resistência a acções
horizontais
Vantagem: facilidade de execução e minimização da interferência com a utilização do edifício
Transformação de elementos não estruturais em elementos estruturais
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Piso 1 : a parede funciona apenas como escora
Piso 2 : parede reforçada – funcionamento como escora e tirante
Reforço de paredes de enchimento
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Sistemas de isolamento de base
Sem Isolamento da base
Com Isolamento da base
Redução da aceleração
Redução dos esforços
Redução da deformação da estrutura
Aumento dos deslocamentos
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Sistemas de isolamento de base
Aparelhos de atrito tipo pendular (FPS)
Aparelhos de borracha de alta distorção HDRB e LRB
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Introdução do isolamento
de base em pilares
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Introdução do isolamento de base num edifício antigo
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Sistemas de dissipação de energia Amortecedores Viscosos
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Influência do isolamento de base e
da dissipação de energia na
resposta da estrutura
A – estrutura inicial
B – estrutura isolada
C – estrutura sem e com aumento
da capacidade de dissipação
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
Período T (s)
Acele
ração
Se/a
g
2%
5%
10%
15%
20%30%
A B C
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
Período T (s)
Deslo
cam
en
to S
De/a
g
2%
5%
10%
15%
20%30%
A B C
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Secção tipo do estado actual
Secção tipo reparada
Reforço com Mantas CFRP
Pilar com dano originado por corrosão de armaduras
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80
εc (%)
fc (
MP
a)
1
2
3
3 camadas 2 camadas
1 camada
Sem reforço
Reforço de pilares por confinamento do
betão – juntas de betonagem