Vulnerabilidade Sísmica de Edifícios Antigos de Alvenaria da Cidade de Lisboa

1. COLÓQUIO Vulnerabilidade Sísmica de Edifícios Antigos de Alvenaria da Cidade de Lisboa Rafaela Cardoso - Assistente – ICIST DECivil, Secção de Geotecnia Mário Lopes - Professor Auxiliar – ICIST DECivil, Secção de Mecânica Aplicada Rita Bento - Professora Auxiliar – ICIST DECivil, Secção de Mecânica Aplicada Instituto Superior Técnico Lisboa, 2 de Julho de 2003

2. Índice Introdução As acções sísmicas Edifícios de alvenaria de Lisboa Estudo de um Edifício-exemplo Soluções usuais de reforço O estado actual dos edifícios Pombalinos Conclusões

3. 1. Introdução Utilização actual Estado de conservação Ausência de manutenção Alterações estruturais justificam a preocupação com a segurança destas estruturas Avaliação da vulnerabilidade sísmica Políticas de mitigação do risco sísmico Sismos no passado e sismos recentes mostram mau comportamento dos edifícios de alvenaria para as acções dinâmicas Lisboa:

4. 2. Acções sísmicas • Espectros de resposta • Acelerogramas ü(t) Sismo 1 Sa (cm/s2) Sismo 2 • Forças estáticas equivalentes t f (Hz) FE Sismo: • Acção Dinâmica 3D variável no tempo • Acção Cíclica (Grandes sismos em Lisboa: T200-300 anos) A acção sísmica pode ser quantificada através de:

5. As paredes B são resistentes mas não apoiam as paredes A Neste caso, as paredes B suportam as paredes A As paredes A têm pouca resistência e, na falta de ligação, não se podem apoiar nas paredes B, melhor dispostas para resistir Edifícios de alvenaria: Mecanismos de colapso [Carvalho e Oliveira, 1997]

6. 3. Edifícios antigos de alvenaria de Lisboa Baixa [in Mendes-Victor et al, 1993] LEGENDA: A - EDIFÍCIOS DE ALVENARIA (<1755) B - EDIFÍCIOS POMBALINOS E SEMELHANTES (1755 a 1880) C - EDIFÍCIOS ALTOS DE ALVENARIA COM PAVIMENTOS DE MADEIRA OU DE BETÃO E PAREDES RESISTENTES DE ALVENARIA (1880 a 1940) D – EDIFÍCIOS DE ALVENARIA, COM PAVIMENTOS EM BETÃO OU COM ESTRUTURA PORTICADA DE BETÃO (1940 a 1960) E – EDIFÍCIOS RECENTES DE BETÃO ARMADO (>1960)

7. Edifício de alvenaria da Baixa:Edifício de Rendimento Pombalino paredes interiores de frontal pavimentos de madeira Cruzes de Santo André com várias geometrias possíveis Abóbadas de alvenaria de blocos cerâmicos e arcos de pedra Fundações indirectas através de estacas curtas de pequeno diâmetro Número máximo de pisos: 3 + piso térreo Parede corta-fogo águas furtadas [Mascarenhas, 1997]

8. Gaiola Pombalina: Estrutura anti-sísmica de madeira Tectos e pavimentos Estrutura 3D da gaiola Tabique

9. Edifícios Pombalinos (1755 a 1880) • Estrutura 3D de madeira: Gaiola Pombalina • Pavimentos em madeira • Paredes exteriores de alvenaria Gaiola Pombalina Estrutura 3D de madeira [Mascarenhas, 1997]

10. Edifícios Gaioleiros (1800 a 1940) • Paredes interiores (Frontais pombalinos) substituídas por alvenaria ou por tabiques de madeira. • Pavimentos em madeira. • Maior nº de pisos. • Marquises em ferro fundido. Tabiques [Mascarenhas, 1997]

11. Edifícios de ‘Placa’ (1940 a 1960) • Paredes interiores de alvenaria. • Pavimentos de madeira substituídos por lajes finas de betão. • Marquises e varandas em B.A. Lajes finas de betão Paredes de alvenaria [Mascarenhas, 1997]

12. 4. Estudo de um Edifício-exemplo Elementos consultados: . Peças desenhadas existentes sobre o edifício-exemplo . Técnicas construtivas correntes na época da sua construção . Modelos de comportamento dos materiais estruturais Cobertura Entrada principal Rua da Prata, 210 a 212

13. Peças desenhadas: in [Santos, 2000] Alçado principal do quarteirão Planta-tipo

14. . Programa de cálculo comercial (SAP2000®) . Cálculo linear da estrutura . Acção sísmica - espectros de resposta (RSA) Calibração do modelo: Viabilidade em Projecto Recurso a técnicas de inspecção e a ensaios in situ • Levantamento (geometria real da estrutura) • Caracterização dos materiais estruturais (resistência e deformabilidade) Objectivo: análise da vulnerabilidade sísmica não destrutivos ou semi destrutivos

15. Modelo Numérico (SAP2000®) Pavimentos Travamentos Abóbadas (cruzes) Alvenaria Frontais Elementos finitos 2D (shell) Elementos de Barra

16. Presença da Gaiola: Aumento da Rigidez Global do Edifício f=0,942Hz f=0,398Hz 1º Modo de Vibração com gaiola Com a gaiola, as paredes de alvenaria vibram em conjunto. Planta Corte Lateral sem gaiola Sem a gaiola, as paredes de alvenaria vibram independentemente umas das outras. Planta

17. Presença da Gaiola: Contraventamento das paredes de alvenaria Evolução dos deslocamentos na fachada para fora do seu plano M (sem gaiola) PP M (com gaiola) Desloc. relativo com gaiola: 4,7cm Contraventamento das paredes de alvenaria Desloc. relativo sem gaiola: 15,7cm Alinh Frontal Emp. esquerda Emp. direita Pavimentos P V M Fachada da Frente Alinh Frontal Emp. esquerda Emp. direita Fachada da Frente Com Gaiola Sem Gaiola

18. Edifício: principais fontes de não linearidade F K0 - Rigidez ‘tangente’ experimental Ksec - Rigidez ‘secante’ experimental 1- Fendilhação da Alvenaria / Danos Localizados 2- Existência da Gaiola de Madeira: Acções Cíclicas Resultados Experimentais de um painel de frontal ensaiado no LNEC Encastramento na base in [Ramos, 2002]

19. FOLGAS PREGOS 3- Rotura das Ligações dos Elementos de Madeira 4- Comportamento Não Linear da Alvenaria à Compressão

20. Análise não linear: Evolução da Estrutura em cada iteração Em cada iteração: . Análise linear . A estrutura a analisar resulta da estrutura analisada na iteração anterior, após a remoção das ligações em rotura Colapso Ponto de partida para a iteração seguinte Principal vantagem do processo iterativo: Detectar os ‘pontos fracos’ da estrutura Processo iterativo [Cardoso, 2002]

21. Quantificação da vulnerabilidade sísmica: Intensidade da Acção Sísmica sismáx de COLAPSO Mapas de danos na alvenaria: Fachada da Frente sis= 0.20 sis= 0.25 sis= 0.30 Danos na alvenaria devido a tracção Deformada da fachada da frente Fsd = FCQP +sisFE Cálculo de danos para intensidades crescentes da acção sísmica

22. Mecanismo de colapso do edifício-exemplo sismáx =0,25 Sismo de 9 de Julho de 1988 Fotografias tiradas na Horta - Açores, 2001 sis=0,25 sis=0,25 sis=0,25 1ª Iteração 2ª Iteração 3ª Iteração COLAPSO: Destacamento da fachada e queda da cobertura

23. Sismo de 9 de Julho de 1998 - Fotografia tirada na Horta - Açores, 1998 Concepção original: Queda das fachadas mantendo a estrutura 3D da gaiola intacta, salvando as vidas no seu interior. [Mascarenhas, 1997] Depende do nº de pisos do edifício...

24. sismáx =0,70 Mecanismo de corte na base do edifício COLAPSO GLOBAL: [Croci, 1988]

25. Estudo da eficiência de uma solução de reforço Evolução dos deslocamentos da fachada antes e após reforço V M VM (c/reforço) (s/reforço) Alinh Frontal E Emp. esquerda Emp. direita sismáx =0,45 Pavimentos Mecanismo de colapso após reforço: Efeito de Pipa P V M Fachada da Frente [Costa e Vasconcelos, 2001] Viga de B.A. (0,6mx0,25m)

26. Síntese dos resultados obtidos no modelo sismáx=0,70 sismáx=0,25 sismáx=0,45 Corte Basal Colapso Parcial: queda da cobertura e da fachada da frente (dominó) Efeito de pipa Edifício Reforçado Edifício-Exemplo Valor Regulamentar: sismáx =1,50 (Edifícios Novos)

27. Informações fornecidas pelo valor sismáx: .Vulnerabilidade sísmica do edifício .Quantificação da melhoria após reforço (eficiência da solução adoptada) .Comparação de várias soluções de reforço Os valores obtidos para sismáx são indicativos (Modelo ligeiramente conservativo)

28. 5. Soluções usuais de reforço Tirantes de aço Reforço horizontal com vigas ao nível dos pisos Reforço horizontal: vigas ao nível dos pisos Reforço vertical com tirantes Reforço vertical: tirantes Mecanismo de Colapso [Carvalho e Oliveira, 1997] [Croci, 1988]

29. Malha de aço Ligadores metálicos [Silva, 2001] Reforço das Ligações dos pisos às paredes de alvenaria [Silva,2001] Mecanismo de Colapso: Corte na Base Alternativas: • Injecção de caldas de cal / cimento • Injecção de resinas

30. 6. O estado actual dos edifícios Edifícios que mantêm a estrutura original Intervenções ligeiras de conservação e manutenção As obras de conservação e reabilitação urbana são não estruturais ! Edifícios que sofreram alterações Adaptação a novas funcionalidades A grande maioria das alterações estruturais observadas muitas vezes são nocivas do ponto de vista da resistência às acções sísmicas Pombalinos

31. Abertura de montras Continuidade interrompida Mecanismo de Corte Basal Circulação de pessoas Continuidade vertical mantém-se Influência de alterações posteriores à construção • Remoção de paredes interiores e introdução de elementos estruturais com rigidez diferente Redistribuição de esforços

32. Aumento do número de pisos Massa e Finércia aumentam no topo

33. Danificação dos frontais para a instalação de canalizações Rigidez / Contraventamento diminuem Perda de secção Melhor solução Má solução

34. 7. Conclusões Vulnerabilidade sísmica elevada . Valores obtidos para sismáx baixos Grande potencial de recuperação devido à existência da Gaiola Edifícios Pombalinos Restantes edifícios de alvenaria de Lisboa? Resulta da concepção Pombalina de deixar cair as fachadas para preservar a estrutura interior de madeira e assim salvaguardar a vida dos ocupantes

35. . Modelo numérico: Identificação dos Mecanismos de colapso Quantificação da melhoria do comportamento expectável para as acções sísmicas Reforço Sísmico destes edifícios

36. Políticas adoptadas para intervenção neste tipo de estruturas: Programas de Reabilitação Urbana Intervenções estruturais para reforço sísmico (Intervenções não estruturais) Quais os Custos? Sensibilização Deveriam incluir População Meio Político, etc Excepção: Açores

37. Agradecimentos Ao Sr Engº João Appleton, pela partilha generosa do seu imenso conhecimento neste assunto.

38. Para mais informações: World Housing Encyclopedia www.world-housing.net (Portugal - Edifícios Pombalinos) Publicação disponível em: www.civil.ist.utl.pt/~rafaela SPES – Sociedade Portuguesa de engenharia Sísmica www.spes-sismica.org EERI – Earthquake Engineering Research Institute www.EERI.org

39. Referências • [Alvarez, 2000] Mª Lourdes Alvarez, Baixa Pombalina, Síntese de um trabalho de investigação em várias disciplinas, indo desde a prospecção geofísica à prospectiva sociológica, tendo em vista uma acção de planeamento urbanístico, Câmara Municipal de Lisboa, Lisboa, 2000 • [Appleton, 2001] J. Appleton, O Megassismo de Lisboa no século XXI ou Vulnerabilidade Sísmica do Parque Edificado de Lisboa, artigo publicado em Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado, SPES – Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica e GECoRPA – Grémio das Empresas de Conservação e Restauro do Património Arquitectónico, A. Ravarra, C. S. Oliveira, E. C. Carvalho, M. S. Lopes, P. T. Costa, R. Delgado, R. Bairrão, V. C. Silva, Lisboa, Abril de 2001 • [Cardoso, Lopes e Bento, 2001] R. Cardoso, M. Lopes, R. Bento – Avaliação Sísmica de Edifícios Antigos de Alvenaria, Proc. Sísmica 2001, S. Miguel - Açores, Outubro de 2001 • [Cardoso, 2002] R. Cardoso – Vulnerabilidade Sísmica de Estruturas Antigas de Alvenaria – Aplicação a um Edifício Pombalino, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Estruturas, IST, Outubro de 2002 • [Carvalho e Oliveira, 1997] E. C. Carvalho, C. S. Oliveira, Construção Anti-Sísmica - Edificios de Pequeno Porte, ICT, Informação Técnica Estruturas LNEC, DIT 13, Lisboa, 1997 • [Croci, 1988] G. Croci, The Conservation and Structural Restoration of Architectural Heritage, Computational Mechanics Publications, 1988 • [França, 1987] J. A. França, Lisboa Pombalina e o Iluminismo, Bertrand Editora, 1987 • [Lopes e Azevedo, 1996] M. Lopes; J. Azevedo, Análise do Comportamento Sísmico de um Edifício Tradicional de Alvenaria em Lisboa, Rel. AI nº1/96, IC/IST, Lisboa, 1996

40. [Mascarenhas, 1994] J. Mascarenhas, Baixa Pombalina, Algumas Inovações Técnicas, 2º ENCORE, LNEC, Lisboa, 1994 • [Mascarenhas, 1997] J. Mascarenhas, Evolução do Sistema Construtivo dos Edifícios de Rendimento da Baixa Pombalina em Lisboa, Relacionada com as Condições Sísmicas do Local, 3º Encontro Sobre Sismologia e Engenharia Sísmica, IST, Lisboa., 1997 • [Mendes-Victor et al, 1993] L. Mendes-Victor, C. S. Oliveira, I, Pais, P. Teves-Costa, Earthquake Damage Scenarios in Lisbon for Disaster Preparedness, Artigo publicado em An Evaluation of Guidelines for Developing Earthquake Damage Scenarios for Urban Areas, NATO Advanced Research Workshop, Instambul, Turkey, October, 8-11-1993 • [Ramos, 2002] J. L. F. S. Ramos, Análise Experimental e Numérica de Estruturas Históricas de Alvenaria, Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Escola de Engenharia da Universidade do Minho, Janeiro de 2002 • [Santos, 2000] M. H. R. Santos, A Baixa Pombalina. Passado e Futuro, Livros Horizonte, Lisboa, Janeiro de 2000 • [SAP2000, 1998] SAP2000, Three Dimensional Static and Dynamic Finite Element Analysis and Design of Structures, Version 7.0, CSI, Computers & Structures, inc, Structural and Earthquake Engineering Software, Berkeley, California, USA, October 1998 • [Silva, 2001] V. Cóias e Silva, Viabilidade Técnica de Execução do “Programa Nacional de Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado”, artigo publicado em Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado, SPES – Sociedade Portuguesa de Engenharia Sísmica e GECoRPA – Grémio das Empresas de Conservação e Restauro do Património Arquitectónico, A. Ravarra, C. S. Oliveira, E. C. Carvalho, M. S. Lopes, P. T. Costa, R. Delgado, R. Bairrão, V. C. Silva, Lisboa, Abril de 2001