Plastic seismic design of ductile reinforced concrete frame–shear wall dual systems

Resumo Técnico: Projeto Plástico Sísmico de Sistemas Duplos de Pórticos e Paredes de Concreto Armado Dúcteis

Definição do Problema
Os códigos de projeto sísmico atuais (ex.: ACI 318, ASCE 7) incentivam o comportamento dúctil em sistemas duplos de concreto armado (CA) por meio de regras prescritivas como o critério de coluna forte–viga fraca (SCWB). No entanto, o artigo argumenta que tais provisões são frequentemente insuficientes para sistemas duplos de pórticos–parede de concreto armado. As verificações de equilíbrio de nós locais não levam em conta efeitos dinâmicos, como respostas de modos superiores, redistribuição de momentos e o deslocamento dos pontos de inflexão durante a resposta inelástica. Consequentemente, sistemas duplos projetados convencionalmente podem desenvolver mecanismos de falha frágeis indesejados, como colapso de andar suave (soft-story) ou de balanço de andar (story-sway), em vez do mecanismo dúctil global desejado, onde as deformações inelásticas são distribuídas entre as vigas e a base das paredes de cisalhamento. Embora existam métodos avançados como o Projeto Plástico Baseado no Desempenho (PBPD), sua aplicação direta a sistemas duplos de CA é complicada pela interação entre a parede de cisalhamento rígida e o pórtico dúctil, levando frequentemente ao escoamento prematuro de colunas ou ao comportamento indesejado da parede, mesmo quando os requisitos normativos são atendidos.

Metodologia
Os autores propõem uma metodologia de projeto plástico estático que impõe um mecanismo global de colapso de balanço de pórticos, permanecendo totalmente compatível com as provisões sísmicas atuais (ASCE 7 e ACI 318). A abordagem fundamenta-se no equilíbrio estático global e na consistência de energia, evitando restrições de mecanismo artificiais ou fatores de redução de ductilidade assumidos.

Os componentes principais da estrutura proposta incluem:

1. Parâmetro de Compartilhamento de Carga Lateral ($\rho$): Um parâmetro é introduzido para coordenar a interação entre o pórtico e a parede de cisalhamento, definindo a parcela do esforço cortante basal total resistida pela parede versus o pórtico.
2. Fator de Sobrerresistência do Sistema ($\Omega$): A metodologia incorpora o recálculo sistemático do fator de sobreresistência baseado nas resistências prováveis dos elementos (considerando a sobre-resistência do material e o encruamento, ex.: $1.25M_n$). Isso garante a consistência entre as capacidades de projeto assumidas e as capacidades plásticas reais.
3. Procedimento de Projeto de Capacidade:
   • Vigas: Projetadas para escoar primeiro, com momentos derivados de cargas gravitacionais e demandas sísmicas distribuídas via equivalência de energia.
   • Colunas e Paredes de Cisalhamento: Projetadas para permanecer essencialmente elásticas acima da base. Suas demandas sísmicas são calculadas usando as capacidades de momento prováveis das vigas ($M_{pr}$) e forças axiais derivadas do equilíbrio global, integrando explicitamente os efeitos de P-$\Delta$.
   • Especificidades da Parede de Cisalhamento: A resistência à flexão e a capacidade de trabalho plástico da parede são calculadas usando análise de seção com compatibilidade de deformações, idealizando a distribuição de curvatura para considerar o comprimento da rótula plástica na base.
4. Algoritmo de Projeto Iterativo: O processo envolve a inicialização de parâmetros (deslocamento alvo, $\Omega$ inicial, $\rho$ inicial), o projeto das vigas, o cálculo das demandas de colunas e paredes baseadas nas resistências prováveis das vigas, e então a atualização do fator de sobreresistência. Se o $\Omega$ atualizado ou a razão de compartilhamento de carga resultante desviar significativamente das suposições, os elementos são redesenhados até que a convergência seja alcançada.

Principais Contribuições
O estudo apresenta quatro contribuições primárias:

1. Um procedimento prático para coordenar as ações de pórtico e parede em sistemas duplos de CA para garantir um mecanismo global de balanço de pórticos.
2. Uma formulação consistente com as normas para distribuir demandas sísmicas e avaliar ações de elementos sem introduzir suposições incompatíveis com o comportamento de paredes de cisalhamento de CA (endereçando especificamente as limitações da aplicação direta do PBPD de aço para paredes de CA).
3. Um procedimento de atualização de sobreresistência baseado em capacidades prováveis de membros para manter a proteção de colunas e regiões superiores das paredes.
4. Validação do procedimento através de análises estáticas não lineares (pushover) e análises de história de resposta não linear (NRHA) em estruturas protótipo.

Resultos
A metodologia foi aplicada a sistemas protótipo de CA de pórtico–parede de 5, 10 e 15 pavimentos.

• Convergência do Projeto: O algoritmo iterativo convergiu com sucesso, com as razões finais de compartilhamento de carga ($\rho$) permanecendo próximas das suposições iniciais (0,7) e dentro da faixa aceitável (0,5–0,75).
• Mecanismo de Colapso: Análises estáticas não lineares (puslover) confirmaram que o mecanismo de colapso global pretendido foi alcançado. As rótulas plásticas formaram-se predominantemente nas vigas e na base das paredes de cisalhamento. As colunas e as partes superiores das paredes permaneceram essencialmente elásticas, sem observação de escoamento plástico nas colunas acima da base para os modelos de 5 e 10 pavimentos (e mínimo ou nenhum para o modelo de 15 pavimentos dentro do intervalo de deslocamento).
• Desempenho Dinâmico: Análises de história de resposta não linear (NRHA) utilizando oito movimentos de solo de campo distante da base de dados FEMA P695 demonstraram que as estruturas permaneceram estáveis. As razões máximas de deriva de interstory foram consistentes entre os registros e permaneceram abaixo dos deslocamentos de projeto alvo.
• Validação do Modelo: A abordagem de modelagem por elementos finitos foi validada contra dados experimentais (Espécime C5), mostrando que o modelo de armadura uniforme adotado pode capturar confiavelmente o escoamento de flexão e a inelasticidade distribuída.

Significância e Alegações
O artigo afirma preencher a lacuna entre o projeto sísmico prescritivo e o desempenho controlado por mecanismo. Não se propõe um novo conceito de projeto sísmico, mas sim uma extensão racional e prática das provisões existentes. Os autores afirmam que sua estrutura fornece aos engenheiros estruturais um caminho transparente e implementável para alcançar um verdadeiro projeto baseado no desempenho. Ao impor explicitamente um mecanismo global de balanço de pórticos através do equilíbrio global e da consistência de energia, o método garante que os sistemas duplos projetados de acordo com as normas atuais possam evitar confiavelmente falhas frágeis localizadas, aumentando assim a redundância estrutural e a segurança sem se afastar dos padrões estabelecidos.