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.

Escolhido o modelo que melhor se ajusta a cada situação, o passo seguinte consiste na definição do movimento actuante correspondente ao sismo que se entenda melhor adaptar à zona e ao terreno onde a estrutura se encontra fundada. Esta acção, por natureza aleatória, está sujeita a um tratamento estatístico onde intervêm factores como a história sísmica da região, através, por exemplo, da probabilidade de ocorrência de um sismo com determinada magnitude e distância focal, e as características geológicas do terreno de fundação.
O resultado deste tratamento permite definir, por intermédio das curvas de densidade espectral de potência, as características daquele que em termos regulamentares se designa por sismo de cálculo, ou seja, o mais devastador para um determinado período de retorno. Na práticas e quando se trabalha com algoritmos de integração da equação geral do movimento, não são os valores associados às curvas de densidade que interessa considerar mas sim os diagramas de variação da aceleração no tempo que é possível construir com base nesses valores. No entanto, em muitos casos os valores que são adoptados correspondem não ao resultado deste tratamento estatístico mas a registos sísmicos observados in situ.
Definido o movimento sísmico, a sua implementação no modelo estrutural deve ser tal que intervenha nos pontos para os quais estes valores foram gerados ou registados, na grande maioria dos casos pontos sobre a crosta terrestre, de modo a que haja o máximo rigor na simulação da situação real. A abordagem que é habitual adoptar e que consiste na aplicação do movimento na base do maciço de fundação, só é válida no caso dele se identificar com valores registados em profundidade, dado que só assim os resultados que daí advém são dignos de confiança. No entanto, existem algoritmos que permitem considerar, com toda a generalidade e rigor teórico, a intervenção do movimento observado à superfície do solo a vibrar sem a estrutura, permitindo, inclusivamente, a consideração do factor variabilidade espacial da acção no comportamento das estruturas.
Todos os factores que se procurou evidenciar nesta apresentação sumária devem ser tidos em consideração em qualquer estudo dinâmico que se pretenda realizar, devendo caso a caso ponderar-se sobre a sua importância relativa.
As estruturas de um modo geral não se encontram isoladas no espaço mas ligadas a outros meios exteriores que as envolvem e que com elas interactuam. Em muitas situações em que se pretende estudar o seu comportamento, o efeito desta interacção revela-se extremamente importante, devendo procurar-se que o modelo estrutural adoptado inclua na sua formulação, para além do elemento a analisar, todo o meio envolvente, nomeadamente o solo de fundação que lhe serve de apoio e a possível presença de meios fluidos na sua vizinhança.
Estes meios exteriores podem ser representados simplificadamente por molas, amortecedores ou massas adicionais criteriosamente dispostas ao longo da estrutura, ou ainda através de métodos mais elaborados de modelação discreta como é, por exemplo, o caso dos elementos finitos. Esta segunda via tem entre outras vantagens a de permitir simular com rigor uma maior variedade de situações.
Apesar disso, existem meios que, dadas as particularidades da sua geometria, apresentam uma ou várias dimensões desproporcionadamente grandes em relação às restantes ou em relação à estrutura com a qual contactam, como é o caso dos maciços de fundação e das albufeiras das barragens, havendo necessidade de limitar O volume de influência do modelo a valores razoáveis através da imposição de fronteiras artificiais.
Estas limitações, embora não sejam particularmente importantes na análise do comportamento estático das estruturas, quando se consideram acções dinâmicas são necessárias algumas precauções. As estruturas ao vibrar transmitem a todos os meios que se encontrem na sua vizinhança energia sob a forma de ondas de tensão que, teoricamente e uma vez que apenas se consideram meios isotrópicos, se deveria propagar indefinidamente na mesma direcção e sentido. No entanto, a consideração das fronteiras convencionais no modelo, impede o escoamento das ondas para fora destes limites permitindo, ao funcionarem como elementos puramente reflectores, que, contrariamente ao pretendido, a energia retorne à estrutura influenciando o seu comportamento.

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.


FONTE: http://www.engenhariacivil.com/analise-sismica-estruturas-engenharia-civil