Ligações limitadoras de força reduzem picos sísmicos nos edifícios

Investigadores concluíram que a introdução de ligações limitadoras de força entre os pisos e o contraventamento principal de um edifício - o sistema estrutural de vigas e apoios que resiste às forças sísmicas laterais - pode reduzir acentuadamente os picos de vibração mais destrutivos.

Esta alteração desvia a forma como a energia sísmica circula pelo edifício, reduzindo as forças que habitualmente danificam tanto a estrutura como os sistemas interiores.

O que revelou o modelo

Num edifício de escritórios em aço com nove pisos, modelado para sismos de Los Angeles, as ligações adicionais modificaram a propagação do movimento entre os pisos e a estrutura.

Ao submeter o sistema a diversos registos sísmicos, Georgios Tsampras, da University of California, San Diego (UCSD), e Richard Sause, da Lehigh University, demonstraram que as acelerações máximas nos pisos e as forças nas diagonais de contraventamento diminuíram de forma substancial face a uma solução rígida.

A redução verificou-se na maioria dos pisos e cenários de vibração, com poucas exceções associadas a padrões específicos de vibração da estrutura.

Estes padrões revelam uma fonte persistente de tensão não uniforme, que exige uma análise mais aprofundada do efeito dos diferentes modos de vibração na resposta do edifício.

Onde se concentra o perigo

Uma grande parte dessa tensão resultou do movimento em modos superiores, isto é, vibrações mais rápidas do edifício que se sobrepõem ao balanço principal.

Estas oscilações rápidas podem aumentar bruscamente a aceleração dos pisos e a força nas diagonais, mesmo quando o deslocamento lateral global parece normal.

Neste caso, o sétimo piso sofreu uma alteração menor por estar próximo de um ponto de pouca atividade no segundo padrão de vibração.

Esta resposta desigual demonstra porque os engenheiros podem não detetar o risco de danos quando analisam apenas o deslocamento lateral ou o esforço transverso na base.

Como funcionam as ligações limitadoras de força

Cada ligação limitadora de força, concebida para limitar a carga através do deslizamento, combinava um dispositivo de fricção com apoios de borracha de baixo amortecimento.

Quando a vibração ultrapassava uma força predefinida, o dispositivo de fricção deslizava, impedindo que o piso transmitisse toda a carga à estrutura.

Em simultâneo, os apoios mantinham o piso alinhado e acrescentavam rigidez após o início do deslizamento, assegurando que o movimento permanecia controlado.

Ao alterar o percurso das forças ao nível dos pisos, a solução atenuou as vibrações responsáveis pelos picos mais acentuados.

Comportamento do deslocamento lateral explicado

Na solução rígida, os pisos vibravam com muito mais intensidade, mas as novas ligações reduziram esse movimento em mais de metade.

As forças no sistema de apoio do edifício também baixaram de forma acentuada, reduzindo a tensão nos principais elementos estruturais.

Mesmo nos casos em que as ligações se moveram durante o sismo, esse deslocamento foi reduzido e manteve-se claramente dentro dos limites de segurança.

Estes valores mostram mais do que uma melhoria média: evidenciam extremos menores, ou seja, as solicitações que provocam ruturas e obrigam a dimensionamentos mais exigentes.

Porque o deslocamento lateral se manteve semelhante

O balanço global sofreu poucas alterações, uma vez que o movimento lateral principal continuou a resultar da base oscilante controlada, um pormenor de fundação que se eleva e volta a centrar-se.

Essa oscilação tratava o movimento lento de todo o edifício, enquanto as ligações entre pisos atuavam sobretudo sobre as vibrações mais rápidas.

“As ligações limitadoras de força reduzem sobretudo a contribuição das respostas em modos superiores”, escreveram Tsampras e Sause.

Para os projetistas, esta separação é relevante porque reduz a aceleração prejudicial sem abdicar do comportamento de autocentragem, que limita a inclinação permanente.

Quando os impulsos dominam

O sistema não foi igualmente eficaz em todos os registos sísmicos. Dois movimentos mostraram que impulsos longos de velocidade podem intensificar tanto o balanço oscilante que o deslocamento lateral volta a ser a principal preocupação.

Num dos registos, o deslocamento máximo entre pisos atingiu cerca de seis por cento e o deslocamento residual cerca de dois por cento, à medida que o período principal do edifício se alongava durante a vibração.

Esta limitação não elimina a melhoria obtida, mas alerta para o facto de estes conectores não deverem ser encarados como uma solução completa para eventos dominados por impulsos.

Escolher o limite de força

A ligação podia ser ajustada, e esse ajuste revelou-se importante. Nos vários casos de projeto, os autores identificaram o melhor equilíbrio quando o fator de projeto da ligação se situava entre 1.5 e 2.5.

Nesse intervalo, a força e a aceleração diminuíram significativamente sem uma penalização relevante no deslocamento lateral, enquanto o movimento das ligações permaneceu moderado.

Acima ou abaixo desse intervalo, as configurações mais flexíveis proporcionaram menos benefícios, tornando a calibração mais importante do que o aumento da resistência.

O que os construtores podem ganhar

A redução das forças nas diagonais de contraventamento aponta para uma vantagem prática que vai além do melhor desempenho. Como as cargas máximas diminuíram, futuras versões desta estrutura poderão utilizar perfis de aço mais leves.

A equipa não redesenhou o edifício para comprovar uma redução de peso ou de custo, pelo que essa etapa continua a pertencer a trabalhos futuros.

Ainda assim, forças mais previsíveis podem ajudar os engenheiros a dimensionar vigas, pilares e diagonais com menor incerteza.

Porque a previsibilidade é importante

Os sismos não atingem os edifícios de uma única forma organizada e repetível. Ao reduzir a dispersão dos resultados em 18 registos da base de dados, o sistema melhorou a previsibilidade, e não apenas os valores médios.

Uma menor dispersão permite aos engenheiros antecipar com maior segurança a aceleração dos pisos, a força nas ligações e as solicitações nas diagonais em diferentes condições.

Este comportamento mais estável pode facilitar o planeamento das reparações e permitir definir melhor um regresso mais rápido à utilização em projetos reais.

O que se segue

Este estudo demonstra que uma ligação entre pisos, quando bem posicionada, pode reduzir as vibrações rápidas que afetam os pisos superiores e os equipamentos fixos.

O passo seguinte passa por ensaios mais abrangentes e pelo redesenho integral do edifício, sobretudo em locais onde movimentos semelhantes a impulsos ainda possam sobrecarregar a resposta oscilante.