Combate aos sismos: projectar e testar edifícios anti-sísmicos

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?

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.

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.

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.

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.