E STUDO COMPARATIVO DO COMPORTAMENTO DE TANQUES ELEVADOS DE BETÃO ARMADO SOB AÇÕES SÍSMICAS CEDRICO GONÇALO LOPES DE OLIVEIRA Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM ESTRUTURAS Orientador: Professor Doutor Rui Manuel de Menezes e Carneiro de Barros JULHO DE 2014 Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2013/2014 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 [email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 [email protected] http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2013/2014 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2014. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas Aos meus Pais “A vida bem preenchida torna-se longa.” Leonardo da Vinci i Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho não seria possível se não existisse um conjunto de pessoas, que direta ou indiretamente me ajudaram a tornar este projeto viável. Começo por agradecer ao meu orientador, o Professor Rui Manuel de Menezes e Carneiro de Barros por me ter dado o privilégio de orientar esta minha dissertação. Agradeço todo o apoio e a total disponibilidade ao longo da sua execução. Aos meus pais, por todo o apoio e incentivo, confiança e esforço que depositaram em mim durante estes últimos anos. Finalmente a todos os meus amigos que me acompanharam nesta caminhada, em especial ao pessoal de Ourém e do Porto pela amizade e força constante, principalmente nestes últimos meses. A todos o meu muito obrigado. ii Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas iii Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas RESUMO Com o desenvolvimento da engenharia sísmica, atualmente é possível capacitar estruturas associadas à engenharia civil como capazes de suportar fenómenos sísmicos sem a ocorrência de graves danos. Tanques elevados de água são estruturas de grande importância no contexto das lifelines. Este tipo de estruturas apresentam riscos associados à ocorrência de oscilações laterais, logo é da maior preocupação o seu desempenho sob ações sísmicas. Para tal, nos últimos anos foram desenvolvidos inúmeros estudos a nível do comportamento sísmico de tanques de água bem como de armazenamento de combustíveis. Assim, na presente dissertação vai-se desenvolver um caso de estudo sobre um tanque elevado de betão armado a projetar na zona de Lisboa, e sobre este vão-se incidir inúmeras análises sísmicas para avaliar o comportamento da estrutura sob fenómenos sísmicos. Algumas destas análises têm como base um conjunto de registos sísmicos que ocorreram anteriormente e que provocaram enormes danos em todo o tipo de estruturas na ótica da engenharia civil, nomeadamente em tanques. A ferramenta a usar para a modelação dos tanques elevados foi o SAP2000 e com este software vão-se realizar análises dinâmicas nomeadamente: modal, espectral, temporal (time history). Análises de Fourier foram realizadas através de MatLab e por fim através de uma folha de cálculo foram realizados estudos paramétricos relacionando aspetos geométricos com implicação na alteração da rigidez estrutural. PALAVRAS-CHAVE: Tanques de água elevados, Modelo de Housner, Análise Sísmica, Estudo Paramétrico. iv Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas v Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas ABSTRACT With the development of earthquake engineering, it is now possible to design civil engineering structures capable to sustain earthquakes without the occurrence of serious damages. Elevated water tanks are structures of great importance in the context of the lifelines. This type of structures have inherent susceptibilities to lateral oscillations, so it is of the greatest concern their performance against seismic actions. To this end, in recent years numerous studies about the seismic behaviour of water tanks and oil structures tanks were developed. Thus, in this dissertation will be addressed case studies on design of reinforced concrete elevated tanks in Lisbon; numerous seismic analyses of tanks were performance to evaluate their structural behaviour and her random earthquakes phenomena. Some of these analyses are based on a set of seismic records that occurred earlier and caused huge damage to all types of civil engineering structures The tool used for modelling of elevated tanks is the SAP2000 and this software was used for dynamic analyses namely: modal, spectral and time history integration. A Fourier analysis was performed using MatLab and finally parametric studies relating geometric aspects were done on excel worksheet. KEYWORDS: Elevated water tank, Housner Model, Seismic Analysis, Parametric Study. vi Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas vii Estudo Comparativo das Ações em Tanques Elevados sob Ações Sísmicas ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................... i RESUMO .................................................................................................................................... iii ABSTRACT................................................................................................................................................ v 1. Apresentação do Tema 1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO .......................................................................................................... 1 1.2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 2 1.3. ESTRUTURAÇÃO DO TRABALHO .......................................................................................... 2 2. Estado de Arte ..................................................................... 5 2.1.INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 5 2.2. REVISÃO DA LITERATURA .................................................................................................... 5 2.3. DANOS EM TANQUES ........................................................................................................... 8 2.3.1. Acontecimentos históricos relevantes ........................................................................................... 8 2.3.1.1.Chile ............................................................................................................................................. 8 2.3.1.2. Alasca ......................................................................................................................................... 9 2.3.1.3. Niigata ......................................................................................................................................... 9 2.3.1.4. Loma Prieta ................................................................................................................................ 9 2.3.1.5. Izmit .......................................................................................................................................... 10 2.3.2. Danos estruturais correntes ........................................................................................................ 10 2.3.2.1. Danos estruturais na cobertura e em outros elementos de depósitos metálicos .................... 11 2.3.2.2. Rotura da fundação .................................................................................................................. 11 2.3.2.3. Falha devido a pressão hidrodinâmica ..................................................................................... 11 2.3.2.4. Falhas devido aos esforços no suporte estrutural tipo portico ................................................. 12 2.3.2.4.1. Esforço de Torção .................................................................................................................. 12 2.3.2.4.2. Esforço de Corte nas Vigas .................................................................................................... 13 2.3.2.4.3. Esforço dos Momentos flectores nas Vigas ........................................................................... 14 2.3.2.4.4. Esforço Axial nos Pilares ........................................................................................................ 15 viii