Avaliação da vulnerabilidade sísmica de edifícios escolares

A grande motivação para este trabalho resultou na avaliação da vulnerabilidade sísmica das escolas básicas e secundárias que fazem parte integrante do parque escolar de Portugal Continental. Apesar de até ao momento apenas se terem estudado a vulnerabilidade de algumas escolas em algumas zonas particulares do nosso país, para este trabalho de investigação tivemos uma ambição muito maior e obviamente fizemos um esforço muito maior. Estabelecemos assim como meta, a avaliação de todo o parque escolar. Embora todo o parque escolar possua na ordem das três centenas de escolas em todo o território nacional e sendo este projeto de reabilitação, um projeto com a duração de 2007 a 2015. Em 2011, por motivos da crise económica, todo o projeto congelou sendo reabilitadas até à data cerca de apenas um terço das escolas. Esta quantidade foi o número de escolas que avaliamos em todo o país. As escolas, sendo edifícios públicos com uma importância fundamental, tanto pela elevada concentração de jovens, como pela função essencial como centros de aprendizagem para as gerações vindouras, como também pela ameaça que representam na eventualidade dum cenário sísmico pela enorme densidade de utilizadores, e pela vantagem de nesse cenário de catástrofe a importância estrutural ser superior em relação à maior parte dos edifícios correntes, devidamente demonstrado pelos argumentos enumerados, consequentemente as escolas podem servir como instalações de proteção civil perante uma catástrofe sísmica para apoio das populações circundantes afetadas. Portanto para cada uma das escolas cordialmente fornecidas pelo Parque Escolar, E.P.E., foi feito um estudo exaustivo e muito individual de cada uma das escolas, onde cada análise foi desenvolvida por uma metodologia simplificada, sendo cada análise sempre individual, e nunca tendo sida aplicada em série, este fator melhora substancialmente a eficácia da avaliação para a quantificação das vulnerabilidades e da determinação do grau de dano e das frações de perda para os requisitos fundamentais de limitação de danos, de não colapso, e de colapso iminente que correspondem a ações com períodos de retorno de 95, 475 e 975 anos. Este trabalho é fundamental para as entidades competentes terem a consciência da vulnerabilidade das escolas secundárias, para puderem atuar a nível estrutural e diminuir assim a vulnerabilidade sísmica, e mesmo que por impossibilidade económica o poder governamental não intervenha, então pode e principalmente deve, elaborar planos de emergência tanto com engenheiros civis qualificados como com a total colaboração das corporações de bombeiros que fazem parte das forças de operação e socorro da Autoridade Nacional de Proteção Civil (ANPC).

Reabilitação sustentável de edifícios escolares

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Reabilitação de Edifícios

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Verificação da segurança à ação sísmica da estrutura de um colégio em Ponta Delgada utilizando o Eurocódigo 8 - parte 3

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

Dimensionamento sísmico de edifícios baixos em alvenaria confinada

O facto de se ignorar a contribuição da resistência às forças laterais que solicitam as paredes de alvenaria das estruturas em zonas sísmicas é um tema que tem dado muito de que falar na engenharia estrutural. Em Portugal os projetistas preferem as soluções em betão armado pela sua ampla aplicação e bons resultados ao longo dos tempos. Perante o exposto anteriormente e com o objetivo de abrir possibilidades a novas alternativas que permitam de igual forma bons comportamentos estruturais, pensando na construção económica e com segurança, apresenta-se este estudo que propõe a aplicação de alvenaria confinada em zonas sísmicas de Portugal. A presente dissertação está composta por seis capítulos. No capítulo I apresenta-se uma introdução ao problema que permita ao leitor o enquadramento no tema, indicando de igual forma os objetivos específicos que foram precisos cumprir para chegar ao objetivo geral pretendido, isto é, a proposta duma metodologia de conceção de estruturas de habitação usando alvenaria confinada em zonas de risco sísmico em Portugal, delimitadas para edificações de 1 a 2 andares. Os requisitos gerais de ligação considerados baseiam-se no documento “SEISMIC DESIGN GUIDE FOR LOW-RISE CONFINED MASONRY BUILDINGS” os quais foram complementados com dados recomendados pelos EC 6 e EC 8 baseados na norma portuguesa. No capítulo II mostram-se antecedentes de estudos nacionais e internacionais da alvenaria confinada, assim mesmo encontram-se as bases teóricas com definições e requerimentos importantes a serem considerados no momento da conceção do projeto, ainda nesta seção indicam-se os passos para a aplicação do método de cálculo de esforços resistentes das paredes de alvenaria confinada (Método Simplificado), tal método foi aplicado e validado em modelos de elementos finitos desenhados com materiais e características sísmicas de comum aplicação em Portugal como se apresenta no capítulo III. No capítulo IV analisam-se os resultados obtidos, levando a que no capítulo V se descreva uma proposta de aplicação de alvenaria confinada em zonas de baixa sismicidade e alta sismicidade em Portugal. Finalmente no capítulo VI os resultados obtidos levam a concluir que em zonas de baixa sismicidade o dimensionamento de densidade de paredes é dependente das cargas gravíticas para edifícios de 1 e 2 níveis. No caso de zonas de alta sismicidade são as forças sísmicas as condicionantes. Ainda para edifícios de 2 níveis nestas zonas,a espessura mínima das paredes é de 0,20 m.

Dimensionamento sísmico de edifícios baixos em alvenaria confinada

O facto de se ignorar a contribuição da resistência às forças laterais que solicitam as paredes de alvenaria das estruturas em zonas sísmicas é um tema que tem dado muito de que falar na engenharia estrutural. Em Portugal os projetistas preferem as soluções em betão armado pela sua ampla aplicação e bons resultados ao longo dos tempos. Perante o exposto anteriormente e com o objetivo de abrir possibilidades a novas alternativas que permitam de igual forma bons comportamentos estruturais, pensando na construção económica e com segurança, apresenta-se este estudo que propõe a aplicação de alvenaria confinada em zonas sísmicas de Portugal. A presente dissertação está composta por seis capítulos. No capítulo I apresenta-se uma introdução ao problema que permita ao leitor o enquadramento no tema, indicando de igual forma os objetivos específicos que foram precisos cumprir para chegar ao objetivo geral pretendido, isto é, a proposta duma metodologia de conceção de estruturas de habitação usando alvenaria confinada em zonas de risco sísmico em Portugal, delimitadas para edificações de 1 a 2 andares. Os requisitos gerais de ligação considerados baseiam-se no documento “SEISMIC DESIGN GUIDE FOR LOW-RISE CONFINED MASONRY BUILDINGS” os quais foram complementados com dados recomendados pelos EC 6 e EC 8 baseados na norma portuguesa. No capítulo II mostram-se antecedentes de estudos nacionais e internacionais da alvenaria confinada, assim mesmo encontram-se as bases teóricas com definições e requerimentos importantes a serem considerados no momento da conceção do projeto, ainda nesta seção indicam-se os passos para a aplicação do método de cálculo de esforços resistentes das paredes de alvenaria confinada (Método Simplificado), tal método foi aplicado e validado em modelos de elementos finitos desenhados com materiais e características sísmicas de comum aplicação em Portugal como se apresenta no capítulo III. No capítulo IV analisam-se os resultados obtidos, levando a que no capítulo V se descreva uma proposta de aplicação de alvenaria confinada em zonas de baixa sismicidade e alta sismicidade em Portugal. Finalmente no capítulo VI os resultados obtidos levam a concluir que em zonas de baixa sismicidade o dimensionamento de densidade de paredes é dependente das cargas gravíticas para edifícios de 1 e 2 níveis. No caso de zonas de alta sismicidade são as forças sísmicas as condicionantes. Ainda para edifícios de 2 níveis nestas zonas,a espessura mínima das paredes é de 0,20 m.

Comportamento e reforço de nós viga-pilar

A presente dissertação tem como principal objetivo a análise do comportamento do nó viga-pilar, com a finalidade de dimensionar uma solução de reforço sísmico a aplicar em nós de estruturas antigas de betão armado. Uma parte considerável das construções em betão armado construídas em Portugal até 1970 são muito frágeis relativamente às ações sísmicas. Devido a este fato, os edifícios estão associados a uma conceção desajustada face à regulamentação atual pois à época não estava prevista a consideração de ações sísmicas na execução dos projetos de estruturas. Nesse período, era prática comum na construção o uso de armadura lisa conjugada com uma má pormenorização das armaduras e baixa resistência mecânica do betão. Tal levava a que as estruturas de betão armado construídas em Portugal até à década de setenta, possuírem uma baixa capacidade para resistir a solicitações cíclicas, como as induzidas pelos sismos. Os nós viga-pilar das estruturaras de betão armado são considerados as zonas mais crítica e vulnerável a ações sísmicas. Por isso é frequente em estruturas antigas, a necessidade de as reforçar, para melhorar a performance do edifício durante os sismos. Têm sido estudadas por investigadores várias técnicas e soluções para reforçar os nós viga-pilar de estruturas antigas de betão armado. Serão analisados nesta dissertação os danos observados em dois nós viga-pilar ensaiados experimentalmente, onde são simuladas as ações cíclicas horizontais dos sismos. Com base nestes dados, é proposta e detalhada uma solução de reforço para melhorar o comportamento histerético dessa ligações, de forma a conferir uma maior capacidade resistente e/ou ductilidade.

Cyclic behaviour of RC elements with plain reinforcing bars

O comportamento cíclico das estruturas de betão armado é fortemente condicionado pelo mecanismo de aderência entre o betão e o aço. O escorregamento relativo entre os dois materiais, resultante da degradação progressiva da aderência em elementos solicitados por ações cíclicas, é uma causa frequente de danos graves e até do colapso de estruturas devido à ocorrência de sismos. Entre as estruturas existentes de betão armado que foram dimensionadas e construídas antes da entrada em vigor dos regulamentos sísmicos atuais, muitas foram construídas com armadura lisa, e portanto, possuem fracas propriedades de aderência. A informação disponível na literatura sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa é reduzida e a influência das propriedades da aderência associadas a este tipo de armadura no comportamento cíclico das estruturas existentes não se encontra ainda devidamente estudada. O objectivo principal desta tese foi estudar a influência do escorregamento na resposta cíclica de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa. Foram realizados ensaios cíclicos em elementos do tipo nó viga-pilar, construídos à escala real, representativos de ligações interiores em edifícios existentes sem pormenorização específica para resistir às ações sísmicas. Para comparação, foi realizado o ensaio de um nó construído com armadura nervurada. Foi ainda realizado o ensaio cíclico de uma viga de betão armado recolhida de uma estrutura antiga. Foram elaborados modelos numéricos não-lineares para simular a resposta dos elementos ensaiados, concentrando especial atenção no mecanismo do escorregamento. Os resultados obtidos no âmbito desta tese contribuem para o avanço do conhecimento sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa. As análises numéricas realizadas comprovam a necessidade de incluir os efeitos do escorregamento na modelação numérica deste tipo de estruturas de forma a representar com rigor a sua resposta às ações cíclicas.

Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.

Qualidade do ar interior em Escolas Básicas de 1.º ciclo: QAI em ambientes escolares: estudo orientado para as Escolas Básicas de 1.º ciclo de um agrupamento escolar

A Qualidade do Ar Interior (QAI) é um fator de grande preocupação. A importância de manter um ambiente salubre é mais acentuada em estabelecimentos escolares (EE), tendo em conta, que no interior destes permanecem crianças durante um elevado período de tempo. É fundamental garantir uma boa QAI nos edifícios escolares, de forma a salvaguardar a saúde, o bem-estar e o conforto dos ocupantes, bem como, não comprometer o seu desempenho escolar. Recentemente, foram construídos novos edifícios escolares e alguns dos existentes foram alvo de obras de remodelação. Contudo, a crescente tendência em construir edifícios cada vez mais herméticos, com vista à diminuição dos gastos de energia, origina problemas como a reduzida ventilação dos espaços. Vários estudos têm demonstrado a influência das atividades de limpeza na QAI. No entanto, verifica-se que na maioria das escolas não existem ainda procedimentos de limpeza padronizados. A falta de instruções de trabalho e a ausência de formação às assistentes operacionais pode comprometer a eficácia dos procedimentos de higienização, o que poderá ter influência na QAI dos espaços. Este estudo teve como principal objetivo avaliar a QAI em escolas básicas de 1.º ciclo. Foram contemplados no estudo fatores como a tipologia do edifício, a ocupação das salas e as atividades de limpeza. Procedeu-se à caracterização dos EE e à monitorização de parâmetros ambientais, como a temperatura do ar, a humidade relativa, a velocidade do ar, o dióxido de carbono, o monóxido de carbono, as partículas, os microrganismos mesófilos totais e os fungos. Estes parâmetros foram avaliados nas salas com ocupação, sem ocupação e durante a implementação de um plano de higienização. A ventilação inadequada parece ser o fator que mais condiciona a QAI das salas de aula avaliadas. Registaram-se elevadas concentrações de dióxido de carbono e de microrganismos mesófilos totais, que parecem estar relacionados com a permanência dos ocupantes nos locais e com a falta de ventilação adequada dos espaços. A concentração de dióxido de carbono foi mais elevada em edifícios recentes. Os picos elevados na concentração de partículas parecem estar associados com as atividades dos ocupantes. Obtiveram-se concentrações menores de fungos e de microrganismos mesófilos totais ao longo da implementação do plano de higienização, o que poderá significar que os procedimentos de limpeza contribuem para reduzir os níveis de contaminação dos espaços interiores. No entanto, tendo em conta, que a concentração de microrganismos mesófilos totais permaneceu elevada, as operações de limpeza parecem não ser suficientes para garantir uma boa QAI. O aumento da ventilação dos espaços poderia contribuir significativamente para a melhoria da QAI dos espaços avaliados.

Factores determinantes para a construção sustentável de escolas

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Perfil de Construção

Estudo do comportamento térmico de edifícios : análise da influência da orientação e inércia térmica

A recente transposição da directiva europeia relativa ao Desempenho Energético dos Edifícios (2002/91/CE) e posteriormente a (2010/31/EU) pelo Decreto-Lei n.º 118/2013 de 20 de Agosto, incluiu num único diploma o Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), o Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS), introduzindo desta forma novos parâmetros de conforto interior para os edifícios a construir em Portugal. A necessidade e a curiosidade em aprofundar o estudo do desempenho energético de edifícios, em particular em dois parâmetros que influenciam o cálculo, a inércia térmica e a orientação solar, esteve na base da escolha deste trabalho. Neste sentido foram estudadas várias soluções construtivas correntes da nossa construção para se conseguir compreender a variação da inércia térmica das duas moradias em estudo e assim determinar a influência que tem a inércia térmica no conforto interior. Foi também tido em conta neste estudo, a variação da orientação solar e a sua influência nos ganhos térmicos para a estação de aquecimento e arrefecimento. Deste modo conseguiu-se aferir a influência que a energia solar tem nos cálculos do conforto interior para as várias orientações solares. Por curiosidade calcularam-se também os dados das moradias sem obstruções solares de modo a fazer uma comparação com e sem os elementos que provocam sombreamento nos vãos solares. Por último utilizou-se o software Design Builder para fazer a simulação dinâmica das moradias e comparar com os resultados obtidos do cálculo regulamentar do REH.

Modelação da qualidade do ar interior em edifícios com ventilação natural

A qualidade do ar interior (QAI) em edifícios é uma preocupação que acompanha o Homem desde há séculos. A qualidade do ar interior nas escolas, em particular, tem vindo a provocar um crescente interesse, dado que o grupo populacional pertence a um grupo etário mais suscetível de ser afetado. A utilização de ferramentas numéricas de modelação na avaliação da QAI é uma mais valia, pois permite estimar as concentrações dos poluentes no interior dos edifícios. O principal objetivo deste estudo consiste na avaliação da qualidade do ar interior através da aplicação de uma ferramenta a um caso de estudo. Neste caso de estudo estimou-se a concentração de material particulado (PM10) numa sala de aula da Escola Básica nº 1 da Glória, em Aveiro. Neste âmbito, foi aplicado o modelo INDEX, Indoor Exposure model, que possibilita o cálculo de concentrações interiores de poluentes atmosféricos. Os resultados da aplicação indicam que as concentrações do ar interior são influenciadas pelas concentrações exteriores e pela velocidade do vento. Note-se, contudo, que os valores simulados cumprem os valores legislados na Portaria nº 353-A/2013, de 4 de Dezembro. Embora os resultados simulados não revelem uma má qualidade do ar interior na sala de aula da Escola Básica nº 1 da Glória, a avaliação de outros poluentes seria um ponto de extrema importância, de forma a verificar se os requisitos da qualidade do ar interior estarão a ser garantidos.

Reforço sísmico de estruturas em adobe

A construção em alvenaria de adobe tem um vasto património a nível mundial. É possível encontrar construção em terra no nosso território, sendo que a técnica particular do adobe foi amplamente utilizada na região de Aveiro durante o século XIX até meados do século XX. Devido à tradição e valor patrimonial da construção em alvenaria de adobe, diversos trabalhos têm vindo a ser desenvolvidos no departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, perspetivando um aprofundar de conhecimentos acerca deste tipo de construção. A vulnerabilidade sísmica das construções em alvenaria de adobe fez com que surgissem vários estudos para caracterização sísmica das mesmas, sendo que, recentemente, foi levada a cabo a realização de um ensaio cíclico, simulando os efeitos de um sismo, num modelo de adobe à escala real, construído no laboratório do departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro. A presente dissertação tem como objetivo estudar formas de reparação e reforço sísmico de estruturas em adobe. Para isso foi reparado e reforçado o modelo previamente ensaiado, e novamente submetido a um ensaio cíclico, de modo a fazer-se uma análise comparativa com o ensaio prévio e assim retirar conclusões sobre a eficácia da solução de reforço aplicada.

Técnicas de reabilitação e reforço em edifícios tradicionais

O presente trabalho tem como base a reabilitação e reforço de edifícios tradicionais, mais concretamente as técnicas aplicadas nesta área. A abordagem deste tema surge essencialmente devido ao panorama atual, com a existência de um grande número de edifícios tradicionais, que devem ser conservados de forma a preservar o património arquitetónico português. Desta forma pretende-se conhecer os tipos de edifícios tradicionais existentes em Portugal e no estrangeiro, as anomalias principais e suas típicas causas e por fim as técnicas de reabilitação e reforço a aplicar, de maneira a serem feitas comparações entre países. Para além disto pretende-se apresentar uma visão geral sobre os custos de reabilitação e reforço de edifícios tradicionais. No fim, apresentam-se algumas conclusões sobre o assunto e propostas de trabalhos futuros, de modo a se facilitarem os conhecimentos e investimentos nesta área.