COLÓQUIO Vulnerabilidade Sísmica de Edifícios Antigos de Alvenaria da Cidade de Lisboa Rafaela Cardoso - Assistente – ICIST DECivil, Secção de Geotecnia.

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1 COLÓQUIO Vulnerabilidade 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

2 Índice Introdução As acções sísmicas Edifícios de alvenaria de Lisboa
Estudo de um Edifício-exemplo Soluções usuais de reforço O estado actual dos edifícios Pombalinos Conclusões

3 1. Introdução Políticas de mitigação do risco sísmico
Sismos no passado e sismos recentes mostram mau comportamento dos edifícios de alvenaria para as acções dinâmicas Lisboa: 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

4 2. Acções sísmicas Sismo: Acção Dinâmica 3D variável no tempo
Acção Cíclica (Grandes sismos em Lisboa: T anos) A acção sísmica pode ser quantificada através de: t ü(t) Acelerogramas Espectros de resposta f (Hz) Sa (cm/s2) Sismo 1 Sismo 2 Forças estáticas equivalentes FE

5 Edifícios de alvenaria: Mecanismos de colapso
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 [Carvalho e Oliveira, 1997]

6 3. Edifícios antigos de alvenaria de Lisboa
Baixa [in Mendes-Victor et al, 1993] 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)

7 Edifício de alvenaria da Baixa: Edifício de Rendimento Pombalino
Número máximo de pisos: 3 + piso térreo Parede corta-fogo paredes interiores de frontal Cruzes de Santo André com várias geometrias possíveis águas furtadas pavimentos de madeira Abóbadas de alvenaria de blocos cerâmicos e arcos de pedra Fundações indirectas através de estacas curtas de pequeno diâmetro [Mascarenhas, 1997]

8 Gaiola Pombalina: Estrutura anti-sísmica de madeira
Tectos e pavimentos Estrutura 3D da gaiola Tabique

9 Edifícios Pombalinos (1755 a 1880)
Estrutura 3D de madeira: Gaiola Pombalina Pavimentos em madeira Paredes exteriores de alvenaria Gaiola Pombalina Estrutura 3D de madeira [Mascarenhas, 1997]

10 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]

11 Edifícios de ‘Placa’ (1940 a 1960)
Paredes interiores de alvenaria. Pavimentos de madeira substituídos por lajes finas de betão. Marquises e varandas em B.A. Lajes finas de betão Paredes de alvenaria [Mascarenhas, 1997]

12 4. Estudo de um Edifício-exemplo
Cobertura . Peças desenhadas existentes sobre o edifício-exemplo . Técnicas construtivas correntes na época da sua construção . Modelos de comportamento dos materiais estruturais Elementos consultados: Rua da Prata, 210 a 212 Entrada principal

13 Peças desenhadas: in [Santos, 2000]
Alçado principal do quarteirão Planta-tipo

14 Viabilidade em Projecto
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: Objectivo: análise da vulnerabilidade sísmica Viabilidade em Projecto . Programa de cálculo comercial (SAP2000®) . Cálculo linear da estrutura . Acção sísmica - espectros de resposta (RSA)

15 Modelo Numérico (SAP2000®)
Abóbadas (cruzes) Travamentos Pavimentos Elementos finitos 2D (shell) Elementos de Barra Alvenaria Frontais

16 Presença da Gaiola: Aumento da Rigidez Global do Edifício
1º Modo de Vibração com gaiola f=0,942Hz Com a gaiola, as paredes de alvenaria vibram em conjunto. Planta Corte Lateral sem gaiola Sem a gaiola, as paredes de alvenaria vibram independentemente umas das outras. f=0,398Hz Planta

17 Desloc. relativo com gaiola: 4,7cm
Presença da Gaiola: Contraventamento das paredes de alvenaria Contraventamento das paredes de alvenaria 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 Alinh Frontal Emp. esquerda Emp. direita Pavimentos Fachada da Frente Sem Gaiola Com Gaiola P V M

18 Edifício: principais fontes de não linearidade
1- Fendilhação da Alvenaria / Danos Localizados 2- Existência da Gaiola de Madeira: Acções Cíclicas Resultados Experimentais de um painel de frontal ensaiado no LNEC F K0 - Rigidez ‘tangente’ experimental Ksec - Rigidez ‘secante’ experimental Encastramento na base in [Ramos, 2002]

19 3- Rotura das Ligações dos Elementos de Madeira
PREGOS FOLGAS 3- Rotura das Ligações dos Elementos de Madeira 4- Comportamento Não Linear da Alvenaria à Compressão

20 Evolução da Estrutura em cada iteração
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: Ponto de partida para a iteração seguinte Evolução da Estrutura em cada iteração Colapso [Cardoso, 2002] Principal vantagem do processo iterativo: Detectar os ‘pontos fracos’ da estrutura

21 Deformada da fachada da frente
Quantificação da vulnerabilidade sísmica: Fsd = FCQP + sis FE sismáx Intensidade da Acção Sísmica de COLAPSO Cálculo 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

22 sismáx =0,25 Mecanismo de colapso do edifício-exemplo
1ª Iteração 2ª Iteração 3ª Iteração sis=0,25 sismáx =0,25 Sismo de 9 de Julho de 1988 Fotografias tiradas na Horta - Açores, 2001 COLAPSO: Destacamento da fachada e queda da cobertura

23 Depende do nº de pisos do edifício...
Concepção original: Queda das fachadas mantendo a estrutura 3D da gaiola intacta, salvando as vidas no seu interior. Sismo de 9 de Julho de Fotografia tirada na Horta - Açores, 1998 [Mascarenhas, 1997] Depende do nº de pisos do edifício...

24 sismáx =0,70 Mecanismo de corte na base do edifício COLAPSO GLOBAL:
[Croci, 1988]

25 Evolução dos deslocamentos da fachada antes e após reforço
Estudo da eficiência de uma solução de reforço V M (s/reforço) (c/reforço) V M Evolução dos deslocamentos da fachada antes e após reforço [Costa e Vasconcelos, 2001] Alinh Frontal E Emp. esquerda Emp. direita Pavimentos Fachada da Frente P V M Viga de B.A. (0,6mx0,25m) sismáx =0,45 Mecanismo de colapso após reforço: Efeito de Pipa

26 Colapso Parcial: queda da cobertura e da fachada da frente (dominó)
Síntese dos resultados obtidos no modelo sismáx=0,25 sismáx=0,45 sismáx=0,70 Edifício-Exemplo Edifício Reforçado Colapso Parcial: queda da cobertura e da fachada da frente (dominó) Corte Basal Efeito de pipa sismáx =1,50 Valor Regulamentar: (Edifícios Novos)

27 Os valores obtidos para sismáx são indicativos
(Modelo ligeiramente conservativo) . Vulnerabilidade sísmica do edifício . Quantificação da melhoria após reforço (eficiência da solução adoptada) . Comparação de várias soluções de reforço Informações fornecidas pelo valor sismáx:

28 5. Soluções usuais de reforço
Mecanismo de Colapso [Carvalho e Oliveira, 1997] 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]

29 Reforço das Ligações dos pisos às paredes de alvenaria
[Silva,2001] Mecanismo de Colapso: Corte na Base Malha de aço Ligadores metálicos [Silva, 2001] Alternativas: Injecção de caldas de cal / cimento Injecção de resinas

30 As obras de conservação e reabilitação urbana são não estruturais !
6. O estado actual dos edifícios Pombalinos 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

31 Redistribuição de esforços
Influência de alterações posteriores à construção Remoção de paredes interiores e introdução de elementos estruturais com rigidez diferente Redistribuição de esforços Continuidade vertical mantém-se Circulação de pessoas Abertura de montras Continuidade interrompida Mecanismo de Corte Basal

32 Aumento do número de pisos
Massa e Finércia aumentam no topo

33 Rigidez / Contraventamento diminuem
Danificação dos frontais para a instalação de canalizações Rigidez / Contraventamento diminuem Perda de secção Melhor solução Má solução

34 7. Conclusões Vulnerabilidade sísmica elevada
. Valores obtidos para sismáx baixos Vulnerabilidade sísmica elevada Resulta da concepção Pombalina de deixar cair as fachadas para preservar a estrutura interior de madeira e assim salvaguardar a vida dos ocupantes Restantes edifícios de alvenaria de Lisboa? Edifícios Pombalinos Grande potencial de recuperação devido à existência da Gaiola

35 Identificação dos Mecanismos de colapso
Reforço Sísmico destes edifícios Quantificação da melhoria do comportamento expectável para as acções sísmicas . Modelo numérico:

36 Quais os Custos? Sensibilização
Políticas adoptadas para intervenção neste tipo de estruturas: Programas de Reabilitação Urbana Intervenções estruturais para reforço sísmico Deveriam incluir (Intervenções não estruturais) Excepção: Açores Quais os Custos? Sensibilização População Meio Político, etc

37 Agradecimentos Ao Sr Engº João Appleton, pela partilha generosa do seu imenso conhecimento neste assunto.

38 Para mais informações:
SPES – Sociedade Portuguesa de engenharia Sísmica EERI – Earthquake Engineering Research Institute World Housing Encyclopedia (Portugal - Edifícios Pombalinos) Publicação disponível em:

39 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

40 [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, [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