Análise Sísmica de Estruturas em Engenharia Civil

A acção dos sismos pelas terríveis consequências que podem infligir, tanto em termos humanos como materiais, em áreas densamente povoadas, continuam a ser, de longe, as solicitações dinâmicas com maior relevo na análise estrutural. Um dos aspectos mais importantes e que permite de algum modo distinguir estas acções das restantes, assenta no facto de serem de muito difícil, senão impossível, previsão.

O seu efeito devastador pode, no entanto, ser atenuado através de uma análise cuidada do comportamento das estruturas quer in situ, depois de terem sido submetidas a uma acção sísmica real, permitindo, por exemplo, a detecção de falhas nos processos construtivos, quer por modelação numérica. Neste caso, procura-se simular o mesmo acontecimento aplicando ao modelo um movimento tão próximo da realidade quanto possível.

Hoje em dia os meios informáticos que se encontram à disposição de investigadores e projectistas são cada vez mais sofisticados, permitindo que modelos cada vez mais eficientes intervenham na análise deste tipo de problemas. Os elementos finitos ao permitir simular, com rigor, uma grande variedade de fenómenos físicos e leis de comportamento nas mais diversas áreas da engenharia, são neste campo uma das ferramentas mais poderosas e versáteis aplicadas à modelação numérica de sistemas estruturais.

Neste contexto a acção dos sismos assume um papel primordial na análise do comportamento dinâmico das estruturas, revelando uma importância acrescida, em particular, quando estas estruturas apresentem grandes dimensões no espaço ou se encontrem em contacto com domínios fluidos. Por outro lado, e dado que estas acções se propagam através do maciço de fundação divergindo para todos os meios que directa ou indirectamente com ele contactam, na simulação numérica do sistema estrutural deve dedicar-se especial atenção a este factor, permitindo-se que os diversos meios intervenientes possam interactuar entre si de acordo com a realidade.

No entanto, existem meios que não podem ser integralmente representados por estes modelos, meios que apresentam uma geometria tal que uma ou várias das suas dimensões assumem valores desproporcionadamente grandes em relação às restantes, como é o caso das fundações e das albufeiras das barragens, havendo necessidade de restringir o seu volume de influência a limites considerados razoáveis através da imposição de fronteiras fictícias. Ao funcionarem como elementos puramente reflectores estas barreiras impedem a normal propagação das acções perturbando o comportamento dos modelos estruturais que se encontram nestas condições. Este assunto foi abordado por diversos investigadores nesta área donde resultaram algoritmos que permitem a simulação, na grande maioria dos casos aproximada, de situações deste tipo, nomeadamente através da implementação de amortecedores de características especiais sobre o contorno externo fictício do sistema.

Este problema pode ser evitado se se considerar um volume para o meio envolvente suficientemente extenso de modo a que o próprio amortecimento do material seja capaz, por si só, de absorver as tensões impedindo que a sua acção se faça sentir novamente sobre a estrutura. Na maior parte dos casos esta não é, porém, a via mais eficiente, já que o problema pode assumir proporções impraticáveis ou envolver um esforço computacional exagerado. Este assunto tem merecido a atenção de muitos investigadores dedicados à dinâmica das estruturas e que têm procurado ultrapassar esta dificuldade simulando condições de fronteira especiais.

Para certos casos, existem algoritmos que possibilitam a obtenção da solução exacta, ou seja, que permitem simular o comportamento dinâmico do meio suposto infinito, ou de grandes dimensões, modelando apenas parte desse meio. No entanto, dadas as particularidades da sua formulação, estas fronteiras, designadas por consistentes, só podem ser implementadas em problemas pouco complexos e cuja análise se efectue no domínio da frequência.

Embora as acções dinâmicas que actuam nos sistemas estruturais resultem de mecanismos extremamente diversificados, tais como o vento, o ruído das máquinas, o movimento das pessoas, quando se trabalha no domínio da engenharia estrutural os sismos continuam a ser, de longe, a solicitação dinâmica mais importante pelas consequências catastróficas que podem infligir, sobretudo em áreas densamente povoadas.
Apesar dos mecanismos que estão na origem destas acções não serem completamente conhecidos sabe-se, no entanto, que estão directamente relacionados com o movimento das placas tectónicas sobre a crosta terrestre. Os maciços rochosos e os solos por influência, funcionam deste modo como o meio natural de transmissão destas acções aos restantes elementos que com eles contactam.

Assim, ao pretender analisar-se o comportamento de estruturas solicitadas por acções deste tipo, é importante que o modelo adoptado permita que os diversos meios intervenientes possam interactuar, tal como acontece em situações reais, devendo procurar simular-se com a maior exactidão possível não só a estrutura a analisar mas todo o meio que a rodeia e, acima de tudo, o modo como estes elementos se relacionam entre si. Para além deste aspecto, deve ainda considerar-se com bastante cuidado o modo como a acção deve ser introduzida no modelo global.

Ao solicitar um dado conjunto estrutural, seja por exemplo uma barragem fundada num maciço rochoso, por uma acção sísmica, coloca-se a questão importante de saber onde é que deve intervir, se na fronteira do maciço rochoso, se em todos os pontos do sistema ou apenas em alguns e, neste caso, em quais. Antes ainda de se responder a estas perguntas, lembra-se que estas acções, ao propagarem-se através do solo, transmitem-se à estrutura através dos pontos da superfície que lhes são comuns, neste caso a superfície de contacto entre a barragem e o maciço rochoso de fundação.

Os registos sísmicos que servem de apoio a muitos dos trabalhos que se realizam nesta área, correspondem, quer a valores efectivamente observados em campo, quer a acelerogramas gerados artificialmente, na grande maioria dos casos de acordo com disposições regulamentares. Assim, ao impor que sobre um sistema estrutural actue uma determinada lei de deslocamentos ou acelerações, deve procurar-se que estas acções intervenham nos pontos onde efectivamente os valores foram registados ou para os quais as leis foram geradas.

Autor: João Paulo Miranda Guedes
Excerto Adaptado
Imagens: AESP, University of Maryland
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