Traduzido por Artur Melo

Mapa mundial de risco sísmico. Clique na imagem para ampliar Imagem cortesia de the Global Seismic Hazard Program

Os sismos podem ser devastadores. Haverá alguma coisa que possamos fazer para lhes resistir? Francesco Marazzi e Daniel Tirelli explicam como os edifícios à prova de sismos são projectados e testados.

No dia 3 de Fevereiro de 2010, no Haiti, aproximadamente 200 000 pessoas morreram e 280 000 edifícios caíram ou foram gravemente danificados por um sismo. Mais perto de nós – em Abruzzi, Itália – um sismo, na manhã de 6 de Abril de 2009, provocou mais de 300 mortes e obrigou à evacuação de 60 000 pessoas.

Sendo consequência de movimentos tectónicos, os sismos não podem ser controlados ou previstos com facilidade; apenas podemos analisar estatisticamente a intensidade e a frequência dos sismos (para mais informação, ver Latchman, 2009). Em cada região, a intensidade esperada dos sismos é inversamente proporcional à sua frequência de ocorrência: os sismos fracos são mais frequentes do que os sismos de grande intensidade.

Embora não possamos evitar os sismos, podemos resistir-lhes, por exemplo projectando edifícios à prova de sismos – ou anti-sísmicos.

Um sismo é um movimento do solo caracterizado por oscilações em três dimensões; os efeitos deste movimento em edifícios podem ser significativos. Os sismos provocam movimentos muito rápidos nos edifícios; a massa do edifício multiplicada pela aceleração provocada pelo sismo produz forças enormes, de acordo com a 2ª Lei de Newton (força = massa x aceleração). Como as casas, e outras estruturas correntes, são projectadas para suportar o seu peso próprio, conseguem normalmente resistir às forças verticais adicionais provocadas pelos movimentos verticais do sismo. As forças horizontais são, no entanto, frequentemente subestimadas ou ignoradas durante a fase de projecto, pelo que os edifícios podem colapsar quando sujeitos a um sismo.

Por razões económicas e práticas, os edifícios anti-sísmicos precisam de ter níveis apropriados de resistência sísmica: mesmo o sismo mais forte não deve provocar o colapso do edifício, apesar de ser aceitável um certo nível de danos. Um sismo fraco, por outro lado, não deve provocar nem mesmo pequenos danos, tais como fendas reparáveis. O projecto de um edifício anti-sísmico deve também ter em conta a sua importância e a sua função: um hospital ou um quartel de bombeiros, por exemplo, deve ficar operacional mesmo após a ocorrência de um sismo de intensidade máxima.

Apesar da enorme evolução na modelação e na simulação da resposta de edifícios aos sismos apoiada em meios informáticos, a avaliação experimental ainda é uma parte importante do desenvolvimento de edifícios anti-sísmicos. Os engenheiros usam modelos em escala reduzida ou em dimensões reais para investigar a resposta da estrutura a um sismo: qual o nível de segurança do edifício durante um sismo e como poderá ser melhorado?

Métodos de simulação de sismos: uma plataforma sísmica (esquerda) e um muro de reacção (direita) Imagem cortesia de ELSA

Existem actualmente duas técnicas experimentais complementares para simular o efeito de um sismo numa estrutura: uma baseada na plataforma sísmica e a outra no muro de reacção (ver imagem acima). Uma plataforma sísmica é uma plataforma que simula um sismo através da produção de vibrações em uma, duas ou três dimensões. O edifício de teste – normalmente um modelo a escala reduzida – é colocado na plataforma sísmica e sujeito ao ‘sismo’, sendo o efeito registado. O edifício cai? Aparecem fendas nas paredes? Qual o padrão de ocorrência dos danos? Quanto tempo consegue o edifício resistir ao sismo? A desvantagem desta simulação é que não pode ser interrompida a meio do ‘sismo’: apenas os danos finais podem ser avaliados.

O muro de reacção, pelo contrário, permite o teste de edifícios de tamanho real. O edifício é colocado na base rígida do sistema e braços hidráulicos ligados ao muro de reacção exercem uma pressão no edifício, correspondente a um sismo. O sismo pode simulado em câmara lenta – um sismo real que dura apenas alguns segundos pode levar horas a simular. Isto permite acompanhar com pormenor os danos sofridos pelo edifício; o teste pode ser interrompido para os engenheiros verificarem o edifício com mais cuidado ou para evitar que ele colapse totalmente. Os sensores registam os efeitos do sismo simulado no edifício, incluindo a deformação, a tensão, as inclinações e a força.

Testes sísmicos, no ELSA, de um edifício 3D de dimensões reais Imagem cortesia de ELSA

O maior muro de reacção da Europa encontra-se no European Laboratory for Structural Assessment (ELSA)w1, onde é utilizado para testar métodos pelos quais estruturas de grandes dimensões (tais como pontes e edifícios) podem ser reforçadas e reparadas. Tal como pode ser demonstrado experimentalmente, os danos prováveis provocados por um sismo num edifício (a sua vulnerabilidade sísmica), podem ser reduzidos de várias formas. Uma forma é separar o edifício do solo, fazendo com que as vibrações provocadas pelo sismo não sejam transmitidas ao edifício.

O isolamento da base, por exemplo, envolve a introdução de um sistema de deslizamento entre a fundação e a parte inferior do edifício. Outra abordagem é concentrar os danos em zonas pré-definidas da estrutura: isto permite a dissipação da energia do sismo e impede um comportamento imprevisto. Por exemplo, se forem introduzidos elementos metálicos nos nós estruturais (por exemplo na ligação entre vigas e pilares), estas peças serão deformadas durante o sismo, em vez do próprio edifício.

A fase de projecto de um edifício é extremamente importante. Estruturas regulares, por exemplo, são mais resistentes aos sismos do que as irregulares, porque estão menos sujeitas a efeitos de torção e, consequentemente, a tensões localizadas e a deformações. Pequenos detalhes são também muito importantes. As paredes devem estar bem ligadas entre si e aos pisos, tornando a casa resistente ao sismo como um todo (diz-se que a estrutura apresenta ‘comportamento de caixa’). Em casas de alvenaria mais antigas, a inserção de tirantes a nível do piso liga entre si as paredes estruturais e o piso, passando a funcionar como um elemento único, partilhando deformações e tensões. Isto melhora a capacidade de dissipação de energia global do edifício. Em edifícios novos, os elementos de betão podem ser firmemente amarrados entre si através de ‘estribos de confinamento’; isto melhora de forma significativa a resistência sísmica do edifício com um custo não significativo.

‘Estribos de confinamento’ teriam ajudado esta casa em L’Aquila a resistir ao sismo em 2009 Imagem cortesia de Francesco Marazzi

Igreja da Conceição, Paganica, L’Aquila, Itália Imagem cortesia de Fabio Taucer

Dispositivos anti-sísmicos são importantes não apenas para salvar vidas mas, também, para proteger a nossa herança cultural: o ELSA levou a cabo testes num modelo em tamanho real de parte do mosteiro de São Vicente de Fora, Lisboa, Portugal, e numa fachada reconstruída à escala 1:2 do Palácio Geraci, Palermo, Itália. O resultado destes testes, permitiu ao ELSA contribuir para as orientações gerais na protecção de monumentos históricos contra danos sísmicos.

Actividades de ensino no ELSA

O ELSA tem um laboratório interactivo para crianças, que inclui uma pequena plataforma sísmica; como pode ser facilmente transportada, podem ser realizadas demonstrações de plataforma sísmica tanto durante visitas de escolas ao ELSA, em Ispra, Itália, como directamente nas escolas (ver Anthoine et al., 2010).

Uma demonstração dos princípios de dinâmica de estruturas apresenta às crianças, em primeiro lugar, conceitos como frequência natural, modo de forma e vibração, e aspectos básicos de sensores e recolha de dados. Os alunos são depois convidados a construir estruturas com tijolos de pedra especiais e a testá-las na plataforma sísmica. Eles podem dar livre curso à sua imaginação: algumas casas têm várias portas e janelas, enquanto outras assemelham-se mais a ‘bunkers’, pirâmides ou templos gregos.

Actividades de ensino no ELSA Imagem cortesia de Francesco Marazzi

As casas modelo são depois colocadas na plataforma sísmica e sujeitas à simulação de um sismo real registado. É solicitado aos alunos que descrevam o que observam e que expliquem o diferente comportamento das casas quando sujeitas ao mesmo sismo. Desta forma introduz-se o conceito de perigo sísmico: a combinação de vulnerabilidade sísmica (a sensibilidade da casa aos sismos) e risco sísmico (qual a maior intensidade esperada de um sismo num dado local). A única forma de reduzir o perigo sísmico é reduzir a vulnerabilidade; não podemos controlar o risco!

Um dos métodos mais eficazes para reduzir a vulnerabilidade – isolamento da base – pode ser observada na nossa pequena plataforma sísmica, que tem três tubos, de raio pequeno, que suportam a base do modelo. Estes tubos separam o edifício da plataforma e asseguram que as vibrações de um sismo não são transmitidas para cima. A eficácia deste sistema é facilmente demonstrada quando dois modelos idênticos, um com isolamento da base e outro sem ele, são testados ao mesmo tempo: o sismo destruirá o edifício não isolado enquanto o outro permanecerá intacto.

Referências

Anthoine D, Marazzi F, Tirelli D (2010) Introducing students to structural dynamics and earthquake engineering. Physics Education 45, 76-82. doi: 10.1088/0031-9120/45/1/009

Latchman S (2009) Modelling catastrophes. Plus Magazine 53. http://plus.maths.org/issue53/features/latchman

Referências da Internet

w1 – Para mais informação sobre o ELSA, visite: http://elsa.jrc.ec.europa.eu

w2 – Para saber mais sobre os Eurocódigos, ver: http://eurocodes.jrc.ec.europa.eu

Recursos

Kirschbaum T, Janzen U (2006) Tracing earthquakes: seismology in the classroom. Science in School 1: 41-43. www.scienceinschool.org/2006/issue1/earthquakes

A organização ‘United Nations International Strategy for Disaster Reduction’ desenvolveu um jogo online de simulação de acidentes (Stop Disasters!). Ver: www.stopdisastersgame.org

O ‘website’ da BBC tem algumas animações boas sobre sismos: Ver: http://news.bbc.co.uk/2/hi/4126809.stm

O ‘website’ do ‘United States Geological Survey’s Earthquake Hazards Program’ tem informação bastante extensa sobre sismos, incluindo animações. Ver: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes

Para um vídeo (demonstração dos efeitos do Sismo Friuli em edifícios) gravado no ELSA, ver: http://elsa.jrc.ec.europa.eu/publications/Friuli1976_2.wmv

Disponível em ‘Google books’, esta é uma explicação técnica, mas clara, dos principais aspectos da engenharia sísmica:

Committee on Earthquake Engineering Research (1982) Earthquake Engineering Research – 1982. Washington DC, USA: National Academy Press. http://books.google.it

Para uma colecção de fotografias de estruturas danificadas por sismos, acompanhadas de uma breve explicação de como ocorreram os danos, ver o ‘website’ de ‘Earthquake Engineering Slide Information System’: http://www.ikpir.com/easy/html/ang/INDEX.HTM

Para uma lista dos principais sismos em Itália (como exemplo), ver: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_earthquakes_in_Italy

Para mais informação sobre sismos, ver também a página da Wikipedia sobre este tópico: http://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake

Se gostou de ler este artigo, porque não pesquisar a colecção completa de artigos de ciências da Terra publicados na Science in School? Ver: www.scienceinschool.org/earthscience

O Dr Francesco Marazzi é um professor do ensino secundário temporariamente destacado, a realizar investigação de pós-doutoramento em dinâmica e testes sísmicos no ELSA. Quando regressar à sala de aula, a sua experiência neste laboratório avançado permitir-lhe-á demonstrar aos seus alunos a importância da física, da matemática e das tecnologias de informação no ‘mundo real’. No seu trabalho no ELSA, a matemática é útil para modelar fenómenos específicos e analisar dados. A física é útil para conduzir as experiências adequadamente, para desenvolver novos sistemas de protecção e para avaliar os resultados das simulações e análise de dados. Finalmente, a informática é a ferramenta utilizada em todos os aspectos do seu trabalho de investigação. Em resumo, ele pensa usar a sua experiência para motivar os seus alunos.

O Dr Daniel Tirelli é um investigador do ‘European Laboratory for Structural Assessment’ (ELSA),incluido no’ European Commission’s Joint Research Centre’ em Ispra, Itália. Uma das actividades colaborativas em curso no ELSA é o desenvolvimento dos Eurocódigos^w2, regras comuns para o projecto de edifícios e outras obras de engenharia civil, a ser introduzidas em 2010. Um destes documentos (Eurocódigo 8) é dedicado ao projecto de estruturas anti-sísmicas apropriadas, incluindo o modo como as estruturas devem ser projectadas, testadas e modificadas.

Opinião

O artigo é particularmente interessante porque explica de forma clara o que está a ser feito para projectar e testar edifícios à prova de sismos. O artigo pode ser usado como introdução ao tópico das ondas em geral ou das ondas sísmicas, em aulas de física ou de geografia. É ideal para introduzir o tema dos sismos, porque explica a sua natureza e a ocorrência de danos graves em edifícios de acordo com as leis de Newton. Poderia ser usado para iniciar um debate sobre destruição provocada por sismos, o seu impacte na sociedade e o que pode ser feito para limitar os danos.

Além disso, este artigo fornece bibliografia de base valiosa e recomenda ‘websites’ que transmitem aos alunos conhecimentos sobre como a ciência pode beneficiar a sociedade. Também informa, tanto alunos como professores, sobre organizações científicas, tal como o ELSA, que trabalham para melhorar a segurança dos cidadãos. Por vezes temos tendência a perdermo-nos em fórmulas e teorias e tratar a ciência como um assunto puramente académico. Este artigo, no entanto, dá um exemplo concreto de como a ciência estudada na aula é aplicada em situações reais, tal como os sismos, que infelizmente têm ocorrido em vários países ultimamente, criando destruição e vítimas.

O artigo poderia ser usado como exercício de avaliação em tópicos nos quais os sismos fazem parte do currículo ou em que os sismos (não fazendo parte do currículo) são usados para abordar ondas. Questões adequadas incluem:

1. O que é um sismo?


2. De acordo com a segunda lei de Newton, porque é a acção da força sobre um edifício tão intensa durante um sismo?


3. Refira duas técnicas utilizadas em testes de edifícios anti-sísmicos. Explique resumidamente como funcionam.


4. Tendo em conta os desastres naturais que devastaram alguns países recentemente, pensa que estas técnicas deviam ser usadas de forma mais ampla? Explique a sua resposta.

O artigo poderia ser usado de modo diferente para grupos etários diferentes:

10-12: para fornecer uma descrição geral do que é um sismo e manter os alunos informados do que se passa nos países europeus e outros.

12-15: para introduzir o tópico dos sismos e informar os alunos da sua natureza e como ocorrem. O artigo poderia ser também usado para demonstrar que todo um ramo da ciência é dedicado ao estudo destes acontecimentos e a minimizar os seus efeitos.

16+: para introduzir o tópico, que poderia depois levar a um estudo mais detalhado das ondas sísmicas. O artigo poderia também mostrar como a ciência é usada para benefício dos cidadãos. Além disso, os alunos poderão argumentar como os países lidam com os sismos e perceber como a ciência estudada em sala de aula é aplicada em contextos reais.

Catherine Cutajar, Malta

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Recomendações do revisor Física, Geografia, Ondas Idades 10-19