Trilhos-guia de ancoragem em condições sísmicas

Diversas soluções de design são examinadas.

Este artigo foi apresentado em  Madrid 2016, Congresso Internacional sobre Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado pela primeira vez no livro da IAEE. Tecnologia de elevadores 21, editado por A. Lustig. É uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores.   (site: www.elevcon.com).

Em um número crescente de setores da construção civil, exige-se um projeto específico para condições sísmicas. Placas de aço embutidas, conectadas às barras de reforço antes da concretagem, são comumente utilizadas para ancoragem. Suportes para trilhos-guia são soldados a essas placas de aço. As soluções de ancoragem mais modernas para condições sísmicas utilizam tanto insertos embutidos conectados às barras de reforço quanto ancoragens instaladas posteriormente. Em ambos os casos, os suportes para trilhos-guia são fixados por parafusos. O projeto desses sistemas de ancoragem segue as normas norte-americanas e europeias para condições sísmicas. Este artigo apresenta uma introdução às soluções de ancoragem para condições sísmicas, além das aprovações específicas e da abordagem de projeto necessárias para atender a essas aprovações.

Agora que os códigos de construção e regulamentos adequados melhoraram significativamente a resistência e a estabilidade das estruturas em relação a terremotos, há uma demanda crescente por projetos resistentes a sismos para ancoragens incorporadas em elementos não estruturais de edifícios. Além dos grandes e moderados terremotos que ocorrem nas regiões sísmicas "clássicas", com falhas estruturais espetaculares e devidamente noticiadas pela mídia, incidentes menores acontecem regularmente em muitas partes do mundo.

Em todo o mundo, o impacto econômico e social da falha dos sistemas de fornecimento de energia ou água e das redes de telecomunicações ou transporte, como resultado de terremotos de menor magnitude, atinge níveis semelhantes ou possivelmente até superiores aos custos e dificuldades resultantes dos danos ou da destruição de edifícios e estruturas em terremotos de maior intensidade local.

Após a construção de uma estrutura de concreto, são realizados trabalhos para instalar pontos de ancoragem para elementos estruturalmente relevantes, bem como para fixar componentes ou equipamentos não estruturais dentro ou sobre a estrutura. Essas ancoragens devem ser selecionadas e projetadas de forma a minimizar o custo de falha em caso de terremotos da magnitude prevista. Mesmo na fase de planejamento e especificação da obra, deve-se considerar também os componentes não estruturais, para que o empreiteiro geral e os inspetores de obras estejam cientes dos requisitos. Dessa forma, não cabe ao subempreiteiro decidir se as providências necessárias para a instalação devem ser tomadas.

 Influência dos terremotos

Terremotos causam aceleração que leva a um aumento muito rápido e de curto prazo nas forças que atuam sobre uma ancoragem. Essas forças não são apenas muitas vezes maiores do que quando a estrutura está em estado estático, como também sua direção de ação muda rapidamente. A ancoragem deve, portanto, ser capaz de suportar cargas dinâmicas. Normas para ancoragens desse tipo existem há vários anos.[3] No entanto, as fissuras que aparecem no concreto como resultado de terremotos são consideravelmente maiores do que a largura de fissura de 0.3 mm considerada nas normas para ancoragens instaladas na zona de tração do concreto fissurado.

Devido à extrema deformação plástica da estrutura de um edifício, especialmente na área dos nós estruturais que atuam como juntas flexíveis, podem surgir fissuras com vários milímetros de largura. As ancoragens dos tipos atualmente em uso não são projetadas para continuar funcionando em fissuras dessa largura e, portanto, estão sujeitas a falhas. Consequentemente, o planejamento deve garantir que as ancoragens em estruturas que possam estar expostas a terremotos não sejam posicionadas próximas aos nós flexíveis da estrutura.

As âncoras de expansão mecânica, instaladas com uma tensão pré-definida controlada (controle de torque) e com a capacidade de aplicar rapidamente uma expansão adicional subsequente em caso de aumento do diâmetro do furo devido a fissuras, são geralmente adequadas para uso em concreto armado onde se prevê a formação de grandes fissuras em consequência de terremotos. Âncoras que transferem forças para o concreto formando uma trava, como é o caso das âncoras de ancoragem com encaixe inferior, também são adequadas.

Certos tipos de ancoragens químicas também se mostraram adequados para uso em componentes de concreto sujeitos a terremotos. Da mesma forma, canais de ancoragem conectados à armadura antes da concretagem (também conhecidos como "embutidos") são capazes de transferir forças para a estrutura de concreto por meio de uma fixação por encaixe. A Tabela 1 fornece uma avaliação aproximada da adequação dos tipos de ancoragem atuais para cargas sísmicas. O desempenho das ancoragens depende muito da largura das fissuras resultantes dos efeitos dos terremotos. Esta classificação baseia-se em uma avaliação geral e não nos resultados de testes específicos de cada tipo de ancoragem, de acordo com as normas vigentes para testes de adequação sísmica. 

Além das forças de tração que ocorrem devido à alta aceleração de uma estrutura, as forças de cisalhamento também aumentam para um nível muitas vezes superior ao projetado para a ancoragem. Quando isso acontece, o atrito coesivo que cria estabilidade entre a placa de base da estrutura fixada e a superfície do concreto é excedido, e o espaço anular entre a haste da âncora e o perímetro do furo permite o movimento da estrutura até o ponto em que a haste da âncora entra em contato com a borda do furo, resultando em uma fixação positiva (Figura 3a).

Devido à rápida mudança na direção das forças, esse processo pode se repetir em várias direções. Se uma placa de base for fixada por várias ancoragens, isso geralmente significa que apenas algumas delas são capazes de fornecer uma fixação adequada e que toda a carga é suportada por essas ancoragens. O carregamento dinâmico e as forças de pico extremamente altas levam à falha das ancoragens ou à falha do concreto quando essas ancoragens, que suportam a carga de cisalhamento por meio de sua fixação adequada, estão posicionadas próximas à borda de um elemento de concreto (Figura 3b). O movimento pode ser evitado e a carga de cisalhamento distribuída entre todas as ancoragens que compõem a ancoragem se o espaço anular entre a haste da ancoragem e o perímetro do furo for preenchido adequadamente. Para esse fim, os fabricantes de ancoragens desenvolveram arruelas especiais com aberturas que permitem a injeção de argamassa adesiva para ancoragem, que cura sem retração, no espaço anular. Esses sistemas fazem parte integrante das normas europeias para o projeto de ancoragens para uso em locais sujeitos a influências sísmicas.

Pesquisa sobre efeitos sísmicos

Até poucos anos atrás, pouco se sabia em detalhes sobre os efeitos de terremotos em pontos de ancoragem pós-instalados em estruturas de concreto. Por esse motivo, quando o aço precisa ser ancorado ao concreto, a prática padrão atual exige que as ancoragens sujeitas à ação sísmica sejam instaladas soldando as partes necessárias à armadura de aço. Isso é feito incorporando placas de aço embutidas na estrutura de concreto armado. Essas placas ficam expostas na superfície do concreto nos pontos de fixação necessários. Se fixações desse tipo não forem consideradas na fase de planejamento ou forem esquecidas antes da concretagem, o concreto terá que ser removido posteriormente para expor as barras de aço.

Entretanto, um programa de pesquisa que permite uma investigação abrangente e detalhada do estresse em componentes não estruturais e equipamentos instalados em edifícios expostos a terremotos vem sendo realizado por diversas universidades nos EUA ao longo de vários anos. Para esse fim, uma estrutura de concreto armado de cinco andares foi erguida na maior mesa vibratória autoportante do mundo, no Centro de Pesquisa em Engenharia Estrutural Englekirk da Universidade da Califórnia, em San Diego (UCSD). 

Sistemas funcionais para o fornecimento de energia e água, aquecimento, ar condicionado e telecomunicações, bem como os equipamentos necessários em unidades de terapia intensiva e salas de cirurgia de hospitais, foram instalados nos diversos andares do edifício. Os andares foram interligados por uma escada de aço e um elevador em funcionamento. Cerca de 40 empresas dos setores relacionados apoiaram o projeto. Produtos e sistemas da Hilti foram utilizados para as ancoragens.

Em abril e maio de 2012, o edifício foi submetido a vibrações que simulavam as medições obtidas nos terremotos mais violentos dos últimos anos. A mesa vibratória foi utilizada para simular eventos sísmicos com magnitude de 6.7, como os registrados em Northridge, Califórnia, em 1994, até terremotos com magnitude de 8.8, como o ocorrido no Chile em 2010. O comportamento do edifício e as cargas às quais os equipamentos instalados foram submetidos durante a simulação foram registrados por um sistema de posicionamento global (GPS), mais de 80 câmeras digitais e até 500 sensores instalados no edifício. Os resultados foram utilizados para confirmar e otimizar as normas americanas e europeias para o projeto e seleção de sistemas de ancoragem sismorresistentes para uso em estruturas de concreto.

Regulamentos sísmicos dos EUA e da Europa

O projeto e a seleção corretos de uma ancoragem para uso em um elemento de concreto existente começam com a definição das forças que atuarão sobre ele. Nos EUA, o procedimento para a definição das forças esperadas como resultado de um terremoto baseia-se na norma ASCE 7 (American Society of Civil Engineers), enquanto a determinação do desempenho de uma ancoragem sob influência sísmica baseia-se no ACI 318, Apêndice D, para ancoragens mecânicas, e no ACI 308 para ancoragens químicas. A documentação técnica (relatório do Serviço de Avaliação do ICC) preparada com base nas normas de ensaio e nos critérios de aprovação mencionados acima fornece uma base sólida para o projeto e a seleção corretos da ancoragem.

 A norma europeia adota a mesma abordagem. Nesse caso, as forças atuantes durante terremotos são definidas na EN 1998:2004 (Eurocódigo 8). Até a entrada em vigor da EN 1992-4, prevista para o final de 2016, a norma para o projeto e seleção de ancoragens resistentes a terremotos para estruturas de aço sobre concreto é estabelecida pela Organização Europeia para Aprovações Técnicas (EOTA) TR 045. Essa diretriz técnica está alinhada com o Anexo E das Diretrizes Europeias de Aprovação Técnica (ETAG) 001, que define os ensaios e a determinação dos dados de desempenho para ancoragens sob tensões sísmicas e fornece documentação disso nos relatórios da ETA. As normas europeias para o projeto de ancoragens para uso em componentes de concreto existentes expostos a tensões sísmicas estão, portanto, bem coordenadas.

A Tabela 2 apresenta uma visão geral de como as diretrizes e normas mencionadas são aplicadas. As diretrizes de projeto aqui apresentadas representam o estado da arte atual para o teste e projeto de ancoragens sob a influência de ações sísmicas. Praticamente todos os países do mundo baseiam suas regulamentações sobre o projeto de ancoragens resistentes a terremotos em uma dessas duas normas.

 Definição de Carga Sísmica

O ponto de partida para a definição de ações sísmicas é o espectro de projeto sísmico. Nos EUA, foi adotada uma categoria de projeto sísmico (SDC, na sigla em inglês), e o espectro de projeto sísmico é obtido a partir da aceleração máxima mapeada (período curto, 0.2 s) e da aceleração de período de 1.0 s. Na Europa, entretanto, o risco sísmico é definido pela aceleração máxima do solo, e nenhuma SDC foi estabelecida. Existe, contudo, uma definição clara de sismicidade baixa e muito baixa com base na aceleração do solo de projeto e, no caso de sismicidade muito baixa, não há necessidade de observar disposições sísmicas específicas.

A influência do tipo de solo é considerada em ambas as normas por meio de um coeficiente de sítio, baseado na correspondência das classificações do terreno, levando em conta os limites de velocidade da onda de cisalhamento e as descrições do solo. Com base no risco de um possível desempenho sísmico inadequado, a categorização das edificações é realizada da mesma forma por ambas as normas, e o fator de importância correspondente é atribuído com valores semelhantes (embora em uma fase diferente do fluxo de projeto).

Considerando os pontos mencionados acima, espera-se que as equações utilizadas para derivar o espectro de projeto sísmico difiram entre as normas, mas, quando classes de importância e tipos de solo equivalentes são considerados, a forma e a aceleração espectral resultantes são muito semelhantes. Em termos simples, pode-se dizer que, matematicamente, as duas normas apenas apontam para coordenadas diferentes do espectro de projeto. Observe que o espectro de resposta de projeto, de acordo com a ASCE 7, não leva em consideração a importância da edificação (isso é considerado posteriormente no projeto) e, consequentemente, a comparação foi feita considerando o espectro resultante, escalonado de acordo com esse fator.

Também foi realizada uma comparação entre a força cortante sísmica na base, utilizando a norma EN 1998-1:2004 e a norma ASCE 7. Ao avaliar as diferentes expressões, bem como algumas aplicações práticas das normas, podemos concluir que os valores são bastante coincidentes. A partir da força cortante sísmica na base, diversos métodos consagrados podem ser utilizados para determinar a carga atuante em cada nível da estrutura.

Assim, ao comparar os espectros de projeto sísmico resultantes com classes de importância e tipos de solo equivalentes (sendo S o fator de solo), é possível correlacionar a classificação de sismicidade europeia com a categoria de projeto sísmico dos EUA.

A única, porém importante, exceção à Tabela 3, no caso de um edifício de classe de importância IV e com classificação sísmica baixa ou superior à categoria de projeto sísmico correspondente, é C ou superior. Isso significa que, em casos onde os edifícios possam representar um risco substancial para o meio ambiente ou para a comunidade em caso de colapso (por exemplo, hospitais, quartéis de bombeiros, usinas de energia), o projeto deve levar em consideração todas as disposições específicas para sismos.

Resistência sísmica de projeto da âncora

As normas para o dimensionamento de ancoragens sísmicas são fornecidas pelo Apêndice D da ACI 318 ou pela recente EOTA TR 045. Ambas as normas utilizam o método da capacidade do concreto (CC) para calcular as resistências características das fixações. As diferenças entre as normas residem nas premissas básicas das equações de dimensionamento, o que resulta, em parte, em fatores distintos. De acordo com o método CC, as resistências de dimensionamento são calculadas para carregamento de tração e cisalhamento, considerando todos os modos de falha possíveis.

Todos os conceitos de segurança discutidos aqui calculam a resistência e as ações com base em coeficientes parciais de segurança. O principal requisito para o projeto utilizando as normas discutidas é que a ação majorada E seja menor ou igual à resistência majorada R (Equação 1). Todas as normas fatoram a ação característica Ek com coeficientes parciais de segurança γ (Equação 2).

 E_d ≤ R_d                                             (Equação 1)

 E_d = E_k ∙ γ (Equação 2)

Para a resistência característica, existe uma diferença conceitual, visto que as normas europeias dividem a resistência característica Rk por um fator parcial de segurança γ (Equação 2.3), enquanto as normas americanas calculam a resistência característica Rk com um fator de redução de resistência γ (Equação 2.4). O efeito desses fatores, contudo, é o mesmo: reduzir o valor característico ao nível de projeto. A resistência de projeto Rd é geralmente muito semelhante para todos os modos de falha avaliados, independentemente da norma adotada.

 R_d ≤ R_k /γ(3)

 R_d = Φ ∙ R_k                                      (4)

Conforme o new EuropeDe acordo com a diretriz de projeto EOTA TR045, o projeto incorpora três abordagens, descritas a seguir. Observe que todas as três abordagens de projeto são aceitáveis ​​dentro de suas respectivas condições de aplicação. A Tabela 4 apresenta uma visão geral dessas diferentes opções de projeto.

Note-se que a ACI 318 também considera três abordagens de projeto que são conceitualmente iguais às apresentadas pela EOTA TR 045. A principal diferença, que, no entanto, tem a mesma intenção subjacente, reside no fato de que o “projeto elástico”, definido segundo as diretrizes europeias, adota uma abordagem diferente nas normas americanas. Na ACI 318, essa opção de projeto leva em consideração as cargas resultantes de um projeto sísmico convencional (não elástico) e introduz um fator de redução (recomendado como 0.4) que deve ser aplicado diretamente a todos os modos de falha do concreto. 

Avaliação do desempenho sísmico da âncora

Três diretrizes básicas diferentes devem ser consideradas para o ensaio de fixações em concreto. Nos EUA, a norma ACI 355.2 abrange o ensaio de ancoragens mecânicas pós-instaladas sob cargas estáticas e sísmicas e prescreve programas de ensaio e requisitos de avaliação para ancoragens mecânicas pós-instaladas destinadas ao uso em concreto, de acordo com as disposições de projeto da norma ACI 318. Essa diretriz serve de base para os critérios de aceitação (CA) 193 e CA 308 do International Code Council (ICC). Enquanto o CA 193 abrange o ensaio de ancoragens mecânicas, o CA 308 abrange o ensaio e o projeto de ancoragens adesivas.

Com relação aos principais procedimentos de teste, as âncoras são instaladas em uma fissura fechada que é então aberta até uma largura de 0.5 mm. As âncoras em teste são então submetidas às cargas sinusoidais variáveis ​​especificadas, utilizando uma frequência de carregamento entre 0.1 e 2 Hz. A carga máxima de teste de tração e cisalhamento sísmico é igual a 50% da capacidade média do concreto fissurado, obtida a partir de testes de referência.

Após a execução dos ciclos simulados de carregamento sísmico de tração e cisalhamento, as ancoragens são então testadas até a ruptura sob carregamento estático de tração e cisalhamento. As capacidades residuais médias de tração e cisalhamento devem ser avaliadas de acordo com os limites definidos na diretriz.  

Na Europa, a norma ETAG 001 é aplicável aos ensaios de ancoragens mecânicas pós-instaladas (partes 1 a 4) e ancoragens coladas (parte 5). A pré-qualificação sísmica de ancoragens é regulamentada na Europa desde a publicação do Anexo E da ETAG 001, no primeiro semestre de 2013. Dois programas de ensaio distintos são apresentados para avaliar a adequação da ancoragem ao carregamento sísmico, resultando em duas categorias de desempenho sísmico, conforme descrito a seguir:

Categoria sísmica C1: Semelhante ao procedimento de pré-qualificação sísmica dos EUA e adequada apenas para aplicações não estruturais.

Categoria sísmica C2: Teste de movimentação de fissuras sísmicas muito exigente para classificação de uma âncora como adequada para aplicações estruturais e não estruturais.  

Embora a categoria sísmica C1 seja idêntica ao procedimento de pré-qualificação sísmica dos EUA, a categoria sísmica C2 envolve um conjunto de testes de carga sísmica e/ou de ciclos de fissuração consideravelmente mais exigentes, especialmente considerando que, para a avaliação do desempenho sísmico sob carga de tração, um dos testes envolve a ciclagem de fissuras com largura de até 0.8 mm.

Em termos práticos, de acordo com a EOTA TR045 e para ag∙S acima de 0.05 g, as ancoragens destinadas a ligações entre elementos estruturais de componentes sísmicos primários ou secundários devem sempre cumprir a categoria sísmica C2. Para ancoragens utilizadas na fixação de elementos não estruturais onde a aceleração ag∙S se situa entre 0.05 e 0.10 g, podem ser utilizados elementos da categoria sísmica C1. Note-se que estas são recomendações genéricas que os Estados-Membros podem ajustar localmente.

Regulamentos sísmicos dos EUA e da Europa para canais de ancoragem embutidos

Há muito menos informações detalhadas disponíveis sobre o comportamento de canais de ancoragem embutidos sob a influência de ações sísmicas do que sobre ancoragens instaladas posteriormente em concreto. Da mesma forma que para ancoragens instaladas posteriormente em concreto, normas e regulamentações são aplicáveis ​​nos EUA desde outubro de 2015 em relação ao projeto e à seleção de canais de ancoragem embutidos para aplicações de carregamento sísmico.

A norma ASCE 7 baseia sua abordagem para definição nas forças esperadas como resultado dos efeitos da ação sísmica. O desempenho de um canal de ancoragem embutido sob influência de terremotos deve ser determinado com base na norma AC 232, Apêndice A, aprovada em outubro de 2015, e nos relatórios de avaliação do ICC, respectivamente. Os dados de desempenho (relatórios ICC-ES) preparados com base nas normas de ensaio e nos critérios de aprovação aqui mencionados fornecem uma base sólida para o projeto e a seleção corretos da ancoragem.

Conclusões

Nos Estados Unidos e na Europa, existem diretrizes e normas abrangentes para o projeto e a seleção de ancoragens resistentes a terremotos em concreto, incluindo ancoragens pós-instaladas. Embora essas normas, que também abrangem canais de ancoragem embutidos no concreto, estejam em vigor nos Estados Unidos desde outubro de 2015, a Europa ainda está trabalhando para atingir esse objetivo. Engenheiros e projetistas agora podem se orientar por essas normas e diretrizes ao especificar ancoragens resistentes a terremotos para uso em concreto.

Os fabricantes de ancoragens pós-instaladas e canais de ancoragem embutidos para uso em concreto são agora responsáveis ​​por garantir que seus produtos sejam testados com base nas normas e diretrizes para o teste de tais ancoragens sob tensões sísmicas e que a documentação técnica correspondente seja elaborada ou, alternativamente, que novos produtos em conformidade com essas normas sejam desenvolvidos.

A Hilti tem desempenhado um papel pioneiro no esforço cooperativo para a elaboração de normas sísmicas, bem como no desenvolvimento de produtos adequados e na produção da documentação técnica apropriada. As aprovações ETA para a categoria sísmica C2 já foram obtidas para o sistema de ancoragem química HIT-HY200 da Hilti, em conjunto com as barras de ancoragem HIT Z, assim como para as ancoragens mecânicas HST. No início de 2016, os canais de ancoragem Hilti HAC, em conjunto com os parafusos de canal Hilti HBC-C, eram os únicos produtos disponíveis no mercado para os quais os dados de desempenho técnico para o projeto e seleção de ancoragens expostas à ação sísmica, de acordo com a norma AC 232, haviam sido disponibilizados em um relatório do ICC-ES.

Referências
[1] 2ª Conferência Europeia de Engenharia Sísmica e Sismologia, Istambul 2014.
[2] Gramaxo, J., Ural, M., New EuropeRegulamentos sísmicos para a qualificação e projeto de ancoragem pós-instalada, Elevcon 2006: Tecnologia de elevadores 16.
[3] Merz, M., Projeto dinâmico para ancoragem de elevadores em edifícios, 2006.
[4] American Concrete Institute, AC232, Critérios de aceitação para canais de ancoragem em elementos de concreto, 2015.
[5] ICC Evaluation Service, Inc., AC232, Critérios de aceitação para canais de ancoragem em elementos de concreto, 2015.