Avaliação, reparação e reforço sísmico de edifícios existentes

Abstract

Sismos recentemente ocorridos em todo o mundo têm demonstrado de forma dramática que a investigação na engenharia sísmica deve ser direccionada para a avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, desprovidas de adequadas características resistentes. O seu reforço deve ser realizado, reduzindo a sua vulnerabilidade e consequentemente risco para níveis aceitáveis. O estudo e desenvolvimento de novas técnicas de reforço tem um papel principal no sentido de evitar a perda de vidas humanas e económicas. Os principais objectivos desta tese são: a avaliação experimental de edifícios existentes de betão armado, o desenvolvimento de modelos numéricos refinados capazes de reproduzir rigorosamente a sua resposta estrutural, o desenvolvimento de metodologias simplificadas para a análise não-linear dinâmica de estruturas irregulares, e o desenvolvi mento de ferramentas numéricas para a optimização de reforço para este tipo de estruturas. São apresentadas as mais comuns causas de dano ou colapso de estruturas existentes, bem como as técnicas de reparação e reforço adequadas. Em muitas cidades do sul da Europa, os edifícios existentes, dimensionados e construídos até finais dos anos 70, sem considerar a acção sísmica, constituem um elevado risco para as populações. Dois pórticos de 4 pisos à escala real, representativos da prática de projecto e construção até finais dos anos 70 na maioria dos países do sul da Europa, foram dimensionados, construídos e testados para crescentes intensidades de acção. Os principais objectivos desta série de ensaios foram a avaliação da capacidade original destes edifícios, com e sem alvenaria, e ainda a validação experimental da eficiência de várias técnicas de reparação e reforço. Os ensaios realizados demonstraram que a vulnerabilidade destas construções, dimensionadas sem características sismo-resistentes, que constituem uma parte importante dos edifícios existentes na Europa, são uma fonte de alto risco para as populações. Foi ainda comprovado que soluções de reforço adequadamente seleccionadas, podem reduzir consideravelmente este risco para níveis aceitáveis de acordo com a actual filosofia dos códigos de dimensionamento e avaliação da segurança estrutural. Foram utilizados modelos numéricos refinados para o pórtico e para a alvenaria. Os modelos foram calibrados com os resultados dos ensaios à escala real. Especial atenção foi dedicada ao escorregamento das armaduras de aderência normal, dada a sua influência na resposta de estruturas existentes. Os modelos calibrados demonstraram ser adequados na determinação da resposta não-linear de estruturas existentes. Adicionalmente é proposta uma metodologia simplificada para a análise dinâmica não-linear de edifícios baseada no cálculo espectral multi-modal da resposta sísmica. Esta metodologia apresenta a possibilidade de análise de estruturas irregulares e constitui-se como uma ferramenta essencial para a optimização do reforço de edifícios existentes que se desenvolveu no âmbito da presente tese.

Recent major earthquakes around the world have evidenced that research in earthquake engineering must be directed to the assessment of vulnerability of existing constructions lacking appropriate seismic resisting characteristics. Their retrofit or replacement should be made in order to reduce vulnerability, and consequent risk, to currently accepted levels. The development of retrofitting techniques represents a key issue in order to avoid both human casualties and economic losses. The aims of this thesis are to experimentally study the behaviour of existing reinforced concrete buildings, to calibrate a refined numerical model in order to reproduce rigorously their structural behaviour, to develop a simplified methodology for non-linear dynamic analysis of irregular buildings, and to propose a methodology for optimum strengthening. As a background, a theoretical summary on the most common causes of damage and failure and on repair and strengthening techniques for existing reinforced concrete buildings is presented. Older buildings, designed and constructed until the late 1970's, without considering earthquake provisions, constitute a significant hazard in many cities of southern Europe. Two full-scale four-storey frame models, representative of the common practice of construction until the late 1970's in most southern European countries, were designed, constructed and tested pseudo-dynamically. This experimental study aimed at assessing the original capacity of existing structures, with and without infill masonry, and to compare performances of different retrofitting solutions. The tests have shown that the vulnerability of existing reinforced concrete frames designed without specific seismic resisting characteristics, which are an important part of the existing buildings in Europe, constitute a source of high risk for human life. Furthermore, it was demonstrated that advanced retrofitting methods, solutions and techniques substantially reduce that risk to levels currently considered in modern design. Refined finite element models for the frame and infill masonry were calibrated with the results of the full-scale tests. Special attention was devoted to bondslip phenomenon, which is likely to influence the behaviour of existing reinforced concrete structures with round smooth reinforcing. The improved models were found capable to analyse existing reinforced concrete structures, reproducing accurately their non-linear response. Additionally, it is proposed a simplified methodology for non-linear dynamic analysis of buildings based on the multi-modal spectral seismic response. This methodology is a valuable tool to analyse irregular structures and constitutes an important tool for the optimum strengthening design of existing buildings, which was also developed in this thesis.