Circular Economy in High-Seismicity Andean Zones: A Circular Seismic Design Framework for Reusable Steel Moment Connections with Demountable Shear Tabs — Life Cycle Assessment and Normative Adaptation for Peru

Resumo Técnico: Estrutura de Design Sísmico Circular para Chapas de Cisalhamento Desmontáveis no Peru

Definição do Problema
O setor da construção civil é responsável por 39% das emissões globais de gases de efeito estufa (GEE), sendo que a fabricação de aço estrutural contribui com 8%. Em regiões de alta sismicidade como os Andes, as conexões de momento de aço permanentes convencionais são propensas a danos irreversíveis durante eventos sísmicos. Esse dano gera aproximadamente 120 kg de resíduos de aço por conexão e acarreta custos de reconstrução equivalentes a 30–40% do valor original do edifício. Embora os princípios da Economia Circular (EC) tenham sido aplicados na manufatura e eletrônicos, eles permanecem amplamente ausentes dos códigos de design sísmico devido ao percebido compromisso entre desmontabilidade (reutilização) e segurança sísmica. A pesquisa existente sobre conexões desmontáveis tem se limitado a contextos de baixa sismicidade, deixando uma lacuna crítica na integração da sustentabilidade com o desempenho sísmico para regiões andinas, onde as acelerações do solo rotineiramente excedem 0,4g.

Metodologia
Este estudo propõe uma estrutura de Design Sísmico Circular (DSC) para conexões de momento de aço utilizando Chapas de Cisalhamento Desmontáveis (DST - Demountable Shear Tabs). A pesquisa seguiu uma estrutura IMRyD de quatro fases:

1. Definição do Sistema: O estudo modelou quadros resistentes a momentos de aço (SMRF) de 3 e 5 pavimentos projetados para um edifício residencial em Lima, Peru (Zona Sísmica 4, Tipo de Solo S2). Os componentes da DST incluíram chapas de cisalhamento de aço A36 (12 mm), parafusos de alta resistência Grau 10.9 para transferência de cisalhamento e parafusos de extração removíveis Grau 8.8.
2. Análise de Desempenho Sísmico: Doze modelos numéricos foram submetidos à análise de série temporal não linear no SAP2000 v23. A análise utilizou sete registros sísmicos peruanos (Mw 7.0–8.5; PGA 0.3–0.6g) escalonados para o espectro de design E.030. O desempenho foi avaliado em relação aos limites da norma E.030 para Ocupação Imediata (IO), Segurança de Vida (LS) e Prevenção de Colapso (CP).
3. Avaliação do Ciclo de Vida (ACV): Seguindo as normas ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006, uma ACV do berço ao berço (cradle-to-cradle) foi realizada utilizando o OpenLCA v1.10 e o banco de dados Ecoinvent 3.8. Três cenários foram comparados: conexão soldada de uso único, conexão aparafusada de uso único e conexões DST reutilizadas três vezes. As categorias de impacto incluíram Potencial de Aquecimento Global (GWP), Potencial de Acidificação (AP) e Potencial de Eutrofização (EP).
4. Adaptação Normativa: O estudo propôs uma modificação ao Artigo 24 da Norma de Design Sísmico E.030 do Peru para acomodar conexões desmontáveis, introduzindo especificamente um fator de redução de resistência ao cisalhamento e definindo limites de tempo de extração.

Principais Contribuições
O estudo fornece quatro contribções primárias para a área:

1. Metodologia de DSC Integrada: Uma estrutura que aborda simultaneamente os requisitos de desempenho sísmico E.030 e os critérios de reutilização da EC.
2. Quantificação de Ciclo de Vida Completo: Uma ACV de conexões DST através de três ciclos de reutilização, quantificando impactos ambientais sob condições peruanas.
3. Validação Sísmica: Validação de desempenho utilizando registros sísmicos nativos do Peru, demonstrando que conexões desmontáveis podem suportar carregamentos de alta sismicidade.
4. Caminho Regulatório: Uma proposta específica para modificar a norma E.030 para permitir legalmente o uso de conexões desmontáveis no Peru, incluindo parâmetros técnicos para redução de cisalhamento e verificação de capacidade residual.

Resultos

• Desempenho Sísmico: Todos os modelos atenderam ao limite de prevenção de colapso da E.030 (θ ≤ 0,040). As conexões DST atingiram um drift de interstory máximo de 0,028, que é 20% menor que as conexões soldadas permanentes (0,035). A resistência ao momento último das conexões DST foi de 505 kN·m (12% maior que as conexões soldadas), enquanto a resistência ao cisalhamento foi de 295 kN (7,8% menor que as soldadas, mas 13,5% acima da demanda de projeto).
• Fadiga e Reutilização: Os parafusos de extração demonstraram uma vida de fadiga de 2.450 ciclos, excedendo o requisito de 1.000 ciclos para design sísmico. O tempo médio de extração foi de 1,2 horas por conexão.
• Impacto Ambiental: Ao longo de três ciclos de reutilização, as conexões DST reduziram o Potencial de Aquecimento Global (GWP) em 62% em comparação com as conexões soldadas permanentes (410 kg CO₂ eq vs. 1.080 kg CO₂ eq). Os potenciais de acidificação e eutrofização foram reduzidos em 58% e 64%, respectivamente. O principal fator de redução foi a mitigação da produção de novo aço.
• Análise Econômica: Para um edifício de 5 pavimentos em Lima, o custo inicial das conexões DST foi 15% menor que as alternativas soldadas ($93.600 vs. $110.000). Ao longo de uma vida útil de 50 anos, o Valor Presente Líquido (VPL) da opção DST foi 22% maior, impulsionado pelos custos de reconstrução evitados e pela redução do tempo de mão de obra (2,9 horas vs. 4,5 horas para instalação).

Significância e Alegações
O artigo alega que os princípios da economia circular e os requisitos de segurança sísmica são compatíveis em ambientes andinos de alta sismicidade. Demonstra que a estrutura DST proposta não apenas atende, mas excede os limites atuais de desempenho sísmico, enquanto reduz significativamente o impacto ambiental e os custos econômicos de longo prazo.

O estudo posiciona a modificação proposta ao Artigo 24 da norma E.030 — introduzindo um fator de redução de resistência ao cisalhamento (φ = 0,85) para conexões DST e exigindo a verificação da capacidade residual — como um caminho tecnicamente fundamentado e legislativamente viável para a adoção regulatória. Os autores afirmam que esta estrutura serve como um modelo replicável para outras jurisdições latino-americanas de alta sismicidade (Chile, Equador, Colômbia) que atualmente carecem de provisões para conexões sísmicas desmontáveis.

O artigo reconhece limitações, observando que a análise foi restrita a edifícios de até 5 pavimentos, dependeu de dados de cadeia de suprimentos europeia para a ACV (introduzindo potencial incerteza) e utilizou modelagem numérica para capacidade residual em vez de testes cíclicos experimentais. Recomenda-se que pesquisas futuras incluam validação experimental sob movimentos de solo de campo próximo e validação para edifícios altos.