Energy-based plastic design and seismic evaluation of doubly buckling-restrained knee-braced frames

Os terremotos não apenas sacodem o solo; eles despejam um rio massivo e invisível de energia nos edifícios que se erguem sobre ele. Para que uma estrutura sobreviva, ela deve ser capaz de absorver essa energia sem colapsar, de forma muito semelhante a um amortecedor de um carro que suaviza uma viagem acidentada. Engenheiros há muito buscam maneiras de projetar edifícios que possam dobrar e torcer, dissipando essa força destrutiva por meio de danos controlados em partes específicas e substituíveis, enquanto mantêm o esqueleto principal intacto. Essa abordagem, conhecida como projeto baseado no desempenho, afasta-se simplesmente de tornar os edifícios mais fortes e foca, em vez disso, em controlar como eles se deformam. Um desafio fundamental neste campo é encontrar um sistema que ofereça alta resistência e flexibilidade sem sacrificar as plantas de andar abertas que a arquitetura moderna exige. Os sistemas de contraventamento tradicionais geralmente exigem vigas diagonais espessas que cortam as salas, mas um conceito mais novo chamado quadro com contraventamento de joelho (knee-braced frame) posiciona esses contraventamentos mais próximos das juntas onde as vigas encontram as colunas, preservando o espaço aberto. Pesquisadores estão agora explorando uma versão refinada deste sistema, uma que utiliza contraventamentos especiais projetados para resistir à flambagem, garantindo que possam esticar e comprimir repetidamente sem falhar.

Em um estudo recente, uma equipe de engenheiros do Camboja e da Tailândia investigou o quão bem um tipo específico desses quadros, chamado de quadros de joelho com duplo contraventamento resistente à flambagem (doubly buckling-restrained knee-braced frames), desempenha sob o estresse de grandes terremotos. Eles focaram em um método de projeto que calcula a resistência necessária de um edifício equilibrando a energia que um terremoto entrega contra a energia que o edifício pode absorver com segurança através da deformação plástica. Os pesquisadores aplicaram este método a quatro modelos de edifios diferentes, variando de três a doze andares de altura, e os testaram contra dois níveis de perigo sísmico: um terremoto de nível de projeto, que deve ocorrer ocasionalmente, e um terremoto de nível máximo, que representa um evento raro e catastrófico. Para ver como essas estruturas realmente se comportariam, a equipe não se baseou apenas em cálculos teóricos; eles realizaram simulações computacionais sofisticadas que mimetizavam o sacolejo do solo, observando como os componentes de aço cediam, onde o dano se concentrava e quanto os andares oscilavam.

O estudo começou projetando os quatro modelos de edifícios para atender a metas de segurança específicas. Para o terremoto frequente de nível de projeto, o objetivo era limitar a oscilação do edifício a um deslocamento (drift) de dois por cento, enquanto para o evento raro de nível máximo, o limite foi definido em três por cento. O método de projeto garantiu que os contraventamentos especiais e as bases das colunas fossem as partes a ceder e absorver energia, enquanto as vigas e as partes superiores das colunas permaneceriam rígidas e elásticas. Os pesquisadores então submeteram os modelos a uma série de testes. Primeiro, eles empurraram os edifícios lateralmente em um movimento lento e constante para ver como respondiam ao aumento da força. Em seguida, submeteram os modelos a vinte e duas diferentes combinações de movimentos de solo registrados, escalonados para corresponder à intensidade dos níveis de perigo de projeto e máximo. Este teste dinâmico permitiu que vissem como os edifícios se comportariam sob o sacolejo complexo e rápido de um terremoto real, em vez de apenas um empurrão lento.

Os resultados mostraram que o método de projeto funcionou muito bem para os edifícios mais baixos. Os quadros de três e seis andares comportaram-se exatamente como os engenheiros pretendiam. Durante as simulações, os contraventamentos especiais e as bases das colunas começaram a ceder e absorver energia nos momentos certos, enquanto o restante da estrutura permaneceu forte. Os edifícios oscilaram dentro dos limites de segurança, e o dano se concentrou nas partes projetadas para recebê-lo, confirmando que a abordagem baseada em energia controlou com sucesso a resposta do edifício para estruturas de baixa e média altura. As simulações revelaram que as colunas nesses edifícios mais baixos cederam na base conforme o planejado, criando um mecanismo estável que evitou o colapso do edifício.

No entanto, a história mudou para os edifícios mais altos. Quando os pesquisadores analisaram os modelos de nove e doze andares, as simulações mostraram que o padrão pretendido de danos não se desenvolveu totalmente. Embora os contraventamentos especiais tenham cedido como esperado, as bases das colunas nessas estruturas mais altas não cederam dentro dos limites de oscilação alvo. Os pesquisadores descobriram que os edifícios mais altos foram influenciados por efeitos de modos superiores, um fenômeno onde os andares superiores oscilam de forma diferente dos andares inferiores, complicando a maneira como a energia é distribuída. Nos testes de empuxo (pushover tests), as bases das colunas dos quadros de nove e doze andares permaneceram elásticas mesmo quando o edifício atingiu o deslocamento alvo, o que significa que o mecanismo completo de absorção de energia não foi ativado. Apesar disso, a análise de histórico temporal dinâmico, que utilizou os registros reais de terremotos, mostrou que os edifícios mais altos ainda performaram com segurança. Os contraventamentos e as bases das colunas eventualmente cederam durante o sacolejo, e o deslocamento geral permaneceu dentro dos limites de segurança, sugerindo que os edifícios sobreviveriam, mesmo que o padrão de dano fosse ligeiramente diferente do projeto ideal.

O estudo conclui que o método de projeto plástico baseado em energia é uma ferramenta confiável para criar quadros de joelho seguros e resilientes, particularmente para edifícios de até seis andares. Para essas estruturas, o método garante com sucesso que o edifício ceda de uma forma controlada, protegendo a estrutura global de uma falha catastrófica. Para edifícios mais altos, o método ainda proporciona um projeto seguro, mas os engenheiros observam que o comportamento é mais complexo. As bases das colunas nos quadros mais altos não cederam como previsto na fase inicial de projeto, indicando que a influência dos modos de vibração superiores precisa ser considerada com mais cuidado nos projetos futuros de estruturas de grande altura. Os pesquisadores sugerem que, embora a abordagem atual funcione, estudos adicionais são necessários para refinar o projeto de edifícios altos para garantir que o mecanismo pretendido de dissipação de energia seja totalmente ativado sob as condições de terremoto mais severas. O trabalho demonstra que, ao equilibrar cuidadosamente a entrada de energia e a capacidade da estrutura de absorvê-la, os engenheiros podem criar edifícios que permanecem firmes contra as forças da natureza, protegendo tanto a estrutura quanto as pessoas em seu interior.