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Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil

AVALIAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS

PARA A ACÇÃO SÍSMICA

Foto FEMA

António Costa


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


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


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


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


Irregularidades em planta

Reentrâncias Concentração de esforços; torção



FEMA 454



Mecanismo de cedência parcial


Irregularidades em altura – mecanismos de piso flexível


Irregularidades em altura



Mecanismo de piso flexível


Rotura por esforço transverso

Elementos curtos


Paredes de alvenaria

Contribuição para a irregularidade em planta

CM

CR



Contribuição para a irregularidade em altura



Contribuição para a irregularidade em altura e efeitos locais


Juntas sísmicas

Protecção contra colisões com estruturas adjacentes


Comportamento deficiente a nível local

− Cintagem das zonas críticas

− Roturas por esforço transverso

− Nós de ligação pilar-viga

− Pormenorizações inadequadas


Comportamento deficiente originado por pormenorizações inadequadas

Armadura inferior insuficiente

Cintagem do pilar


Comportamento deficiente originado por pormenorizações inadequadas

Cintagem dos nós

Emenda da armadura


Consequências da deficiente cintagem das zonas críticas


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


Ductilidade local

Espaçamento das cintas

Amarração das cintas


Ductilidade local

Pormenorização dos estribos


Elementos não estruturais


Estruturas com baixa rigidez lateral

Danos significativos em elementos secundários


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


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



Exemplos


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


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


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


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


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


Reforço global

Localização mais adequada – nas empenas e junto aos acessos verticais

Reforço nas duas direcções


Reforço global

Reforço muito eficaz no controlo do comportamento global da estrutura face ao reforço local


Reforço global

Reforço da fundação


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),


Disposições de armaduras adicionais

Reforço de pilares por encamisamento


Encamisamento global - Disposições de armaduras adicionais




Encamisamento parcial - Disposições de armaduras adicionais


Disposições de armaduras adicionais

Reforço de pilares com chapas de aço


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


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


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


Confinamento e esforço transverso

Reforço de pilares com CFRP


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


EFEITO DO CONFINAMENTO LATERAL NO COMPORTAMENTO DO BETÃO À

COMPRESSÃO

CONFINAMENTO DEVIDO ÀS CINTAS


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)


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


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


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


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


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


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


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


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 =


Factor de eficácia horizontal kH

Secções circulares: kH = 1

Secções rectangulares:

Factor de eficácia angular

f - inclinação das fibras

f = 0 k = 1


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)


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


EXECUÇÃO DO REFORÇO

Preparação da superfície

Aplicação do sistema de reforço com mantas de fibras de carbono


Diagramas carga – deslocamento

Pilar de referência

Pilar danificado, reparado com argamassa

e reforçado com duas camadas de fibra de

carbono

P3

P1


Pilar reforçado com duas camadas de fibra de carbono

Pilar reforçado com quatro camadas de fibra de carbono

P7

P4


Energia dissipada acumulada [kNm]


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


Nós viga-pilar


Reforço de nós


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


Piso 1 : a parede funciona apenas como escora

Piso 2 : parede reforçada – funcionamento como escora e tirante

Reforço de paredes de enchimento


Reforço de paredes de enchimento



Sem Isolamento da base

Com Isolamento da base

Redução da aceleração

Redução dos esforços

Redução da deformação da estrutura

Aumento dos deslocamentos



Aparelhos de atrito tipo pendular (FPS)

Aparelhos de borracha de alta distorção HDRB e LRB


Introdução do isolamento

de base em pilares


Introdução do isolamento

de base


Introdução do isolamento de base num edifício antigo


Sistemas de dissipação de energia Amortecedores Viscosos


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


Secção tipo do estado actual

Secção tipo reparada

Reforço com Mantas CFRP

Pilar com dano originado por corrosão de armaduras


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

avaliaÇÃo e reforÇo de estruturas …cristina/rrest/aulas_apresentacoes/...reabilitação e...

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