Situações e soluções típicas de retrofit
Colapso de edifícios baixos com aberturas ao nível do rés-do-chão
Este tipo de colapso é conhecido como colapso suave da história. Em muitos edifícios, o nível térreo tem funções diferentes em relação aos níveis superiores. Estruturas residenciais não elevadas podem ser construídas sobre um estacionamento que pode ter grandes portões em um ou mais lados. Os hotéis podem ter pisos elevados no terreno que permitem uma grande entrada principal ou salões de baile. Os edifícios de escritórios podem ter empresas ou armazéns ao nível da rua, que muitas vezes têm grandes janelas para expor mercadorias.
O projecto sísmico tradicional considera que os pisos inferiores de um edifício são mais resistentes do que os pisos superiores e quando isto não é verificado, a estrutura não responderá às oscilações sísmicas da forma esperada, e o primeiro piso provavelmente ruirá sob o peso dos pisos superiores. Com métodos de projeto modernos, é possível calcular o comportamento de um piso “fraco” e remediar estruturalmente suas possíveis falhas. Em 1994, em Los Angeles, colapsos deste tipo num grande complexo de apartamentos causaram muitas mortes no terramoto de Northridge em 1994.
Juntas viga-coluna
As juntas de ligação entre vigas e pilares são uma fraqueza estrutural comum, que deve ser resolvida através de retrofit. Antes da introdução dos códigos anti-sísmicos modernos na década de 1970, as ligações viga-coluna normalmente não tinham sido estudadas ou projetadas dinamicamente, mas para resistir a cargas estáticas não oscilantes. Alguns testes de laboratório confirmaram a vulnerabilidade sísmica destas ligações, que hoje podem ser definidas como "mal" concebidas.[12][13][14][15] Uma falha nas ligações entre vigas e pilares pode normalmente levar ao colapso catastrófico de um edifício baseado em pórticos, como tem sido frequentemente observado em terramotos recentes[16][17].
Várias soluções de reforço têm sido propostas para as ligações entre pilares e vigas de concreto armado, testadas nos últimos 20 anos. Filosoficamente, diversas estratégias de retrofit sísmica discutidas acima podem ser aplicadas para juntas de concreto armado. O revestimento com aço ou concreto tem sido uma técnica de retrofit amplamente utilizada até a chegada de materiais compósitos, como polímero reforçado com fibra de carbono. Materiais compósitos como FRP de carbono e FRP de aramida (mistura de Kevlar e Twaron) foram extensivamente testados para uso em retrofit sísmico com certo grau de sucesso. projeto anti-sísmico.
Por exemplo, um grande número de falhas de soldagem nas juntas viga-coluna de edifícios de aço de baixa a média altura durante o terremoto de Northridge em 1994 mostraram as deficiências estruturais dessas conexões soldadas de 'design moderno' pós-1970, que são muito rígidas e se opõem ao momento da força. juntas de aço soldadas que resistem ao momento das forças. Para estas juntas soldadas foram desenvolvidas soluções como: a) aumentar a resistência da solda, e b) adicionar um gancho de aço (“esquadra de aço”) ou conformar flanges em formato de osso de cachorro (“flange em formato de osso de cachorro”).[23].
Colapso de estruturas de suporte dentro do diafragma do piso
Nos Estados Unidos, são frequentemente utilizados pisos de madeira construídos como caixas sustentadas por vigas relativamente estreitas e profundas (vigas) de madeira de boa qualidade, cobertas com tábuas de madeira leves e baratas (compensados) na diagonal, para formar uma plataforma econômica para o piso que será coberto com a superfície final do piso (tapetes, azulejos, linóleo, parquet, vigas de madeira finas, vinil). Em muitas estruturas, todos eles estão alinhados na mesma direção. Para evitar que essas vigas estreitas dobrem de um lado, são usados bloqueadores em cada extremidade e, para dar resistência adicional, podem ser colocadas escoras diagonais de madeira entre as vigas em um ou mais pontos ao longo de seu comprimento. Na borda externa, normalmente utiliza-se uma única profundidade de bloqueio e coloca-se uma moldura perimetral de vigas, de modo que forme uma caixa em contato próximo com a parede (madeira ou tijolo).
Se a colocação dos blocos, pregos ou parafusos for inadequada, as vigas (que têm formato alto e estreito) podem ser viradas de lado pelas forças de movimento da estrutura de suporte, com a parte fraca voltada para cima. Nesta posição, a lâmina superior do piso cai sobre a parte do telhado, perdendo sua resistência original e a estrutura pode desabar completamente. Como parte de um retrofit, a colocação de blocos entre as vigas pode ser duplicada, principalmente nas partes mais externas da edificação. Pode ser apropriado adicionar pregos adicionais entre o radiador da parede perimetral erguida sobre o diafragma de pico, embora isso exija a exposição da placa do radiador removendo o preenchimento interno ou parte dos lados.
Deslizamento da fundação e danos à parede
Estruturas residenciais de um e dois andares construídas com estruturas de madeira em um perímetro ou fundação rochosa são relativamente seguras em um terremoto, mas em muitas estruturas construídas antes de 1950, a placa radial ("placa de soleira") entre a fundação de concreto e o diafragma do piso (fundação perimetral) ou uma fundação rochosa espessa ("parede de vigas") pode não ter sido suficientemente aparafusada. Além disso, parafusos ou estruturas de conexão entre madeira e rocha (que não foram substancialmente protegidos contra corrosão) podem ter corroído até um ponto fraco. Uma sacudida lateral pode fazer com que o edifício deslize totalmente para fora da fundação ou de rochas sólidas.
Frequentemente estes edifícios, especialmente construídos em declive moderado, são erguidos sobre uma plataforma ligada a fundações perimetrais graças a paredes de baixa resistência denominadas ("parede aleijada" ou pin-up). Essa mesma estrutura pode falhar em suas conexões consigo mesma nos ângulos, fazendo com que o edifício se mova na diagonal e desmorone as paredes baixas.
Presença de muitas varas de apoio em buracos rasos
Algumas estruturas mais antigas e baratas são erguidas sobre estacas de concreto que são cravadas em covas rasas, um método frequentemente usado para adicionar varandas, terraços ou plataformas a edifícios pré-existentes. Isto é frequentemente feito em locais onde o terreno está inundado ou pantanoso, especialmente em condições tropicais, porque deixa um espaço seco e ventilado por baixo da casa (além de evitar que os animais entrem na casa), e no extremo oposto, em condições subpolares ou montanhosas onde se forma permafrost (lama congelada) porque evita que o calor do edifício desestabilize o terreno subjacente. Durante um terremoto, os postes podem entortar ou cair, derrubando o edifício em direção ao solo. Este problema pode ser evitado através da utilização de buracos cavados até uma profundidade onde são construídos postes reforçados, que são então fixados à placa do piso nos cantos do edifício. Outra técnica é adicionar vigas e apoios diagonais suficientes para abraçar os pilares, ou colocar seções de parede de concreto armado entre os pilares (a partir de uma certa profundidade).
Explosão de pilares de concreto armado
Pilares de concreto armado normalmente contêm grandes barras de reforço verticais de aço corrugado muito espesso (a contração das "barras de reforço") colocadas em um anel, rodeadas por outras de menor diâmetro. Depois de analisados muitos dos danos causados pelos sismos, compreendeu-se que a fragilidade não estava nas barras verticais, mas na resistência inadequada dos conectores horizontais (“cercas”) e no seu pequeno número. Uma vez quebrada a integridade dos conectores horizontais, a armadura vertical pode dobrar para fora, colocando o pilar central de concreto em tensão. Então o concreto simplesmente racha até se quebrar em pequenos pedaços, que não são mantidos unidos pela armadura que os envolve. Nas novas construções é colocado um maior número de barras de ligação, também mais espessas.
Uma forma simples de retrofit é cercar a coluna com uma faixa grossa ou “capa” de chapas de aço que são fundidas e soldadas até formar um único cilindro. Posteriormente, o espaço entre a manga e o pilar será preenchido com concreto, num processo denominado “grouting” em inglês. Quando o solo ou as condições estruturais exigirem esta modificação adicional, outros pilares poderão ser aplicados perto da base do pilar e placas de concreto que fixam os pilares ao pilar serão fabricadas no nível do solo ou abaixo dele. No exemplo mostrado, nem todos os pilares necessitaram de ser modificados para ganhar resistência sísmica suficiente para suportar as condições esperadas. (Esta cidade fica a cerca de um quilômetro da falha de Hayward.).
Explosão de paredes de concreto armado
Paredes de concreto são frequentemente utilizadas na transição entre aterros rodoviários elevados e pontes ou estruturas que passam sobre outras estradas (evitando sua interrupção). A maciça parede de concreto é utilizada para reter o solo e eliminar a necessidade de pilares de sustentação para a ponte rodoviária, permitindo assim uma travessia mais curta e que a estrutura superelevada assente diretamente na fundação em uma parte do terreno que não foi perturbada pela elevação. Se estas paredes forem inadequadas, podem ruir devido ao estresse causado pelo movimento das ondas da Terra induzido por um terremoto.
Uma forma de reforço anti-sísmico é fazer vários furos na superfície da parede e fixar seções curtas de hastes de aço em formato de L na superfície de cada furo com adesivo epóxi. A parede de cimento é coberta com outras vigas de vergalhão verticais e horizontais, formando uma estrutura, é colocada uma fôrma de madeira e uma camada adicional de concreto é derramada. A esta modificação podem ser acrescentados outros degraus de terra e outras paredes de cimento com fundações em valas escavadas, bem como contrafortes e outras estruturas de suporte para reter o troço “ar” da estrada entre paredes adjacentes.
Resinas para paredes de tijolo e reforços de fibra de vidro
Estruturas construídas com tijolos podem ser reforçadas com camadas de fibra de vidro e resinas (como epóxi ou poliéster). Nos pisos inferiores podem ser aplicados sobre toda a superfície exposta, enquanto nos pisos superiores podem ser confinados a áreas estreitas à volta de janelas e aberturas de portas. Revestir as paredes de tijolo com estas camadas acrescenta resistência à tensão e ao movimento, o que nos dá uma parede mais resistente à flexão lateral ou ao movimento formando ondas que fazem a parede explodir no típico formato X. A proteção eficiente de um edifício inteiro de tijolos requer extensa análise e engenharia computacional. Por exemplo, algumas janelas e portas do rés-do-chão poderiam necessitar de ser fechadas com paredes de tijolo, podendo mesmo ser necessária a colocação de contrafortes, e pelo contrário, os pisos superiores teriam de ser iluminados, expandindo as janelas verticalmente (transformando-as em janelas-portas). Num edifício de alvenaria não é fácil determinar os pontos a tratar, sendo muitas vezes necessário demolir partes que formem um “L” e que tenham um comportamento ressonante diferente do resto do edifício.
Muitas vezes, colocar uma moldura de aço grossa em portas e janelas aumenta a sua resistência, evitando que a parede rompa o ponto fraco constituído pela abertura. O arco semicircular e as janelas redondas podem ser uma solução que reforça o piso térreo do edifício.
Pelo contrário, se as paredes de tijolo não forem resistentes e a estrutura for sustentada por pilares de concreto armado, podem ser colocados isoladores de metal ou borracha entre os pilares e a base do primeiro andar. Neste caso, as paredes do primeiro andar podem ser eliminadas colocando janelas ou paredes muito finas de tijolo não grosso. Neste caso poderá ser necessária a colocação dos elevadores e escadas numa estrutura externa ao edifício, com ligação flexível ao edifício.
Elevação
Onde houver umidade ou no ponto de contato com solos aluviais, por exemplo em estruturas do tipo “praia” que se localizam imediatamente no topo de material firme (como rochas), as ondas sísmicas que viajam na areia ou na parte de lama solta podem ser amplificadas, exatamente como acontece com as ondas de água que atingem uma praia íngreme. Nessas condições íngremes, foram medidos picos de aceleração vertical que atingem mais que o dobro da força da gravidade. Se um edifício não estiver bem fixado a fundações que por sua vez estão solidamente ligadas à rocha (perfurando-a) é possível que o edifício seja atirado, com as suas fundações ou separado das suas fundações, atirado ao ar, normalmente com danos graves que ocorrem quando cai ou quando atinge as suas fundações (que sendo pontos fortes tendem a romper o solo). Em edifícios bem ancorados ao solo, estruturas anexas como pequenas torres, andares superiores acrescentados, telhados e alpendres podem desprender-se da estrutura primária.
As boas práticas de construção para estruturas modernas que podem ser declaradas resistentes a terremotos determinam que deve haver boas conexões verticais entre cada componente do edifício (a menos que seja um ponto de "sacrifício", para proteger a estrutura de maiores danos), desde solo não perturbado ou projetado (por exemplo, terra solta ou areia reforçada com muitos postes, como na torre Burj Al Arab em uma ilha artificial nos Emirados Árabes Unidos) até a fundação, através do radier "(em inglês * placa de soleira *), depois através das colunas de suporte, as plataformas até chegar à estrutura do telhado.
Na fundação e no radier as ligações são normalmente feitas com gaiola de aço ou com chapas de aço corrugado, pregadas em elementos de madeira, utilizando pregos especiais de alta resistência.
Consolidação de terras
Uma das reformas mais difíceis é necessária para evitar danos devido a deslizamentos de terra ou liquefação. Os deslizamentos de terra podem ocorrer perto de uma encosta, de uma ravina (como num deslizamento de terra) e até mesmo numa área plana devido à liquefação do solo composto por areia ou lama saturada de água. Geralmente, as estacas profundas devem ser cravadas em terreno instável (normalmente lama ou areia) até que a rocha seja encontrada ou a ravina seja estabilizada.
Outro sistema, muito dispendioso, em zonas planas (aluviões fluviais) é a construção de uma vasta e profunda plataforma subterrânea de fundação “flutuante”, com espessas paredes de betão armado, que pode ter espaços internos e pisos que podem servir de armazéns, estacionamento subterrâneo, túnel de drenagem e/ou para viabilidade ou abrigo antiaéreo, que pode unir vários edifícios e aumentar o isolamento sísmico nos pontos de contacto com edifícios externos. Um exemplo disso é o centro habitacional, comercial e de cinema "Leonardo" que está localizado perto do Aeroporto Roma-Fiumicino.
Pode não valer a pena aplicar retrofit a edifícios localizados acima de áreas de colapso anteriores, pois é excessivamente oneroso do ponto de vista económico, porque muitas vezes não é prático (ou é simplesmente impossível) estabilizar um colapso que pode ser muito vasto e profundo. A possibilidade de ocorrer um deslizamento de terra ou liquefação do terreno pode depender de factores climáticos, dado que o terreno pode ser mais estável no início da estação chuvosa em comparação com o início da estação seca. Este tipo de situação de “duas estações” é observada no clima mediterrâneo, que também existe na Califórnia.
Em alguns casos, a melhor coisa a fazer é reduzir a quantidade de água que entra no terreno, por exemplo, de altitudes mais elevadas numa colina ou encosta de montanha, captando a água superficial e do sopé e desviando-a através de canais ou tubos, e extraindo a água que se infiltra directamente através da barreira e através de poços subterrâneos através da inserção de tubos horizontais perfurados. Existem numerosos locais na Califórnia onde grandes conjuntos habitacionais foram construídos em zonas arcaicas de deslizamentos de terra, que não se moveram em tempos históricos, mas que (se ficarem saturadas de água e forem simultaneamente atingidas por um terramoto) têm uma elevada probabilidade de se moverem em massa, levando secções inteiras de um sector suburbano para novas posições. Embora a mais moderna das estruturas habitacionais (bem amarradas a fundações monolíticas de concreto reforçadas com cabos de pós-tensão) possa sobreviver a esses deslocamentos praticamente intacta, o edifício não estará mais em sua localização adequada (poderia ter se aproximado de uma ravina "Ravina (geografia)" ou estar em um terreno que agora cobre uma rodovia).
Cabos e tubos utilitários: riscos
Os tubos de gás natural e propano que conduzem às estruturas muitas vezes criam perigos durante e após um terremoto. Se um edifício se mover da sua fundação ou cair devido ao colapso das suas paredes, os tubos de ferro dúctil que transportam o gás para a estrutura podem quebrar, normalmente no local das juntas soldadas. O gás poderá continuar a chegar das linhas a alta pressão e a fluir em quantidades substanciais; Este enorme volume de gás combustível pode então ser inflamado por uma fonte externa de ignição de chama, como a chama piloto de um aquecedor de água ou um arco elétrico que envia faíscas, como uma linha de energia quebrada.
Existem dois métodos principais para desligar automaticamente o fluxo de gás após um terremoto, que são instalados no lado de baixa pressão do regulador e geralmente a jusante do medidor de gás.
Parece que a configuração mais segura é aquela que prevê a utilização de cada um desses dispositivos em série.
Túneis
A menos que o túnel penetre uma falha que possa escorregar (cortando o túnel em duas seções), o maior perigo para os túneis é um deslizamento de terra ou uma avalanche que possa bloquear uma entrada. Proteção adicional ao redor das entradas (nos principais túneis) pode ser aplicada para desviar qualquer queda de material. A inclinação acima do túnel também pode ser estabilizada de alguma forma. Onde se estima que apenas possam cair rochas de pequeno e médio porte, toda a encosta pode ser coberta com uma rede de grosso fio de aço, pregada na encosta com barras metálicas. Este procedimento também é uma modificação comum em locais onde rodovias cortam montanhas ou morros e onde se verificam as condições adequadas que o tornam necessário e possível.
Galerias subterrâneas subaquáticas
A segurança de qualquer tipo de metrópole subaquática depende muito das condições do terreno através do qual o túnel foi construído, dos materiais e reforços utilizados, da intensidade máxima do terremoto que pode ser antecipada e de outros fatores, alguns dos quais podem ser desconhecidos pela ciência atual.
Uma área metropolitana particularmente interessante do ponto de vista estrutural, sísmico, económico e político é o BART (Bay Area Rapid Transit). Este metrô foi construído no fundo da Baía de São Francisco, através de um processo inovador. Em vez de empurrar uma blindagem giratória de aço através da lama da baía, o túnel foi pré-fabricado em seções construídas em terra. Cada seção (retangular) consiste em dois túneis de seção circular, um túnel central de acesso de seção retangular e uma blindagem externa oval que cobre os três túneis internos. O espaço entre os tubos do túnel foi preenchido com concreto. O fundo da baía foi escavado e coberto com um leito plano de brita preparado para receber os trechos do metropolitano. As seções foram flutuadas na superfície até o local de instalação e afundadas, sendo então unidas com conexões soldadas às seções previamente colocadas. O preenchimento foi depositado sobre o pré-moldado para cobri-lo e mantê-lo firme. Depois de concluído de São Francisco a Oakland, os trilhos e os componentes elétricos foram colocados. Esperava-se que a resposta do metropolita ao terremoto durante um grande terremoto pudesse ser comparada à de um pacote de espaguete cozido em um prato fundo de gelatina. Para evitar tensões excessivas na estrutura do metrô devido aos diferentes movimentos em cada extremidade, foi instalado um sistema de juntas deslizantes na parte terminal de São Francisco "San Francisco (Califórnia)") sob o histórico Ferry Building.
Os engenheiros do consórcio construtor PBTB (Parsons Brinckerhoff-Tudor-Bechtel) utilizaram os melhores cálculos de movimento do solo disponíveis na época, atualmente considerados insuficientes devido aos modernos métodos de análise computacional e ao conhecimento geotécnico. O assentamento vertical inesperado do túnel reduziu a quantidade de deslizamento de terra que pode ser absorvido pelo túnel sem abrir buracos e inundar a estrutura. Estes factores fizeram com que a junta deslizante de São Francisco fosse hoje demasiado curta para garantir a sobrevivência do metropolitano, especialmente sob a pressão do terreno de enchimento, necessário para evitar que os troços do metropolitano "flutuem", saindo do fundo e permanecendo descobertos e apoiados irregularmente no fundo, o que pode levar à ruptura da estrutura.