Utilização das Estruturas dos Elevadores para Reforço Sísmico de Edifícios Antigos João Carlos Silva de Carvalho Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Orientadores: Prof. Doutor António Manuel Candeias de Sousa Gago Prof. Doutor Jorge Miguel Silveira Filipe Mascarenhas Proença Júri Presidente: Prof. Doutor Luís Manuel Coelho Guerreiro Orientador: Prof. Doutor António Manuel Candeias de Sousa Gago Vogal: Prof. Doutor Mário Manuel Paisana dos Santos Lopes Maio de 2015 ii Agradecimentos Agradeço a todos os que me ajudaram de uma forma directa ou indirecta na realização desta dissertação. Ao meu orientador, Professor António Gago pela sua disponibilidade e apoio incansáveis na elaboração deste trabalho. Agradeço todos os conhecimentos transmitidos e agradeço a oportunidade que me prestou. Ao Professor Jorge Proença pela motivação e pelos conhecimentos transmitidos. Ao Engenheiro Ricardo Ferreira, pela sua imprescindível ajuda na realização do trabalho e pelos ensinamentos teóricos e práticos. Agradeço também a sua disponibilidade e motivação para a realização da presente dissertação. Ao Engenheiro João Monteiro, por ter disponibilizado o material necessário à realização da dissertação. Ao Engenheiro Pedro Guimarães da Enor Elevadores por me ter ajudado com informação relevante para a compreensão dos sistemas de elevadores. À GRUPNOR Elevadores por todo o apoio prestado, com especial agradecimento ao Engenheiro Fernando Júnior. À minha família por todo o seu esforço e apoio ao longo do meu percurso académico, imprescindíveis e definitivos na oportunidade de chegar a este nível de formação. Por todo o seu amor demonstrado ao longo de toda a minha vida, por todas as palavras de apreço em todos os momentos deste percurso e por me orgulhar de tudo o que deles contribuiu para a pessoa que sou. Um especial agradecimento à minha Avó por todo o apoio que me deu. À Adriana pelo seu apoio e paciência. Por me dar forças ao longo do meu percurso académico. Aos meus amigos e colegas. Com especial agradecimento ao Eddy, ao Garcia, ao Miguel, ao Vinagre, ao André e ao Orlando. iii iv Resumo A vulnerabilidade sísmica dos edifícios antigos é preocupante, sendo necessário soluções que minimizem o impacto dos sismos nestes edifícios. Aliado à necessidade de acções que melhorem o deficiente comportamento estrutural destes edifícios, a reabilitação dos centros históricos é um dos principais desafios das cidades europeias como Lisboa. Apesar da implementação de elevadores em edifícios antigos os valorizar economicamente, estes edifícios não estão estruturalmente adaptados para receber um sistema elevatório, pelo que o uso de estruturas autoportantes é muitas vezes considerado. A presente dissertação explora a oportunidade deste tipo de estrutura de elevadores como reforço sísmico de edifícios antigos. Estudou-se o funcionamento dos sistemas de elevadores e caracterizou-se as estruturas de elevadores normalmente adoptadas na reabilitação de edifícios. Criou-se um modelo computacional de um edifício de alvenaria, onde foram testadas 6 estruturas de elevadores e avaliados os seus efeitos no comportamento sísmico do edifício. Os modelos computacionais foram modelos tridimensionais de elementos finitos e a análise utilizada foi elástica linear por espectro de resposta, com modelação do comportamento não linear através de um coeficiente de comportamento. Foi também estudada uma solução de reforço global de um edifício gaioleiro, constituída por uma estrutura de suporte do elevador e reforço das paredes do saguão através de betão projectado. Os melhores resultados correspondem à solução de estrutura metálica tridimensional, tendo-se concluído que, em geral, a implementação de estruturas autoportantes não é suficiente para verificar a segurança estrutural em relação à acção sísmica mas auxilia o comportamento global do edifício. Palavras-chave: Estruturas de elevadores; Reforço sísmico; Alvenaria; Edifícios antigos; Caixa de elevadores; Reabilitação v vi Abstract Old buildings’ vulnerability to seism is definitely a matter of concern. Therefore, solutions that minimize the impact of seisms in these buildings are needed. Combined with the necessity of improving old construction’ ineffective structural behaviour during seisms, the rehabilitation of historical centres is one of the main challenges European cities like Lisbon face. Despite the introduction of elevators in old buildings increases their economic value, they are not structurally prepared to have a lift system, which frequently implies the use of self-supporting structures. The present dissertation elaborates on the opportunity of using this type of elevator structures as seismic reinforcement in old buildings. Elevator systems operation was studied and the lift structures usually adopted in building retrofit were characterized. A computational model of a masonry building was created and six different lift structures were tested as well as their effect on the seismic behaviour of the building. The computational models used were three- dimensional finite elements and the analysis was linear elastic using a response spectrum. The non- linear behaviour was modeled using a behaviour coefficient. A solution involving a global reinforcement of an old-stone masonry building (“gaioleiro”) was also studied. This solution comprises a lift structure and the interior walls strengthening using shotcrete. From all models considered, the best results respect to the three-dimensional metallic structure. It was possible to conclude that, generally, the implementation of self-supporting lift structures is insufficient to ensure the structural safety in relation to the seismic action. However, it helps the global performance of the building. Key-words: Elevator Structures; Lift structures; seismic reinforcement; old masonry buildings; lift shaft; building retrofit. vii viii Índice de Conteúdos Agradecimentos ........................................................................................................................................... iii Resumo ......................................................................................................................................................... v Abstract ....................................................................................................................................................... vii 1. Introdução .............................................................................................................................................1 1.1. Motivação do estudo e enquadramento geral ...............................................................................1 1.2. Objectivos ......................................................................................................................................2 1.3. Estrutura e organização do trabalho .............................................................................................3 2. Sistemas de elevadores ........................................................................................................................5 2.1. Enquadramento histórico ..............................................................................................................5 2.2. Tipos de sistemas de elevadores..................................................................................................6 2.2.1. Elevadores hidráulicos ..........................................................................................................9 2.2.2. Elevadores eléctricos de tracção ....................................................................................... 12 2.2.3. Machine Room Less (MRL)- Sistema sem casa das máquinas ........................................ 17 2.2.4. Diferenças entre elevadores hidráulicos e eléctricos de tracção ....................................... 18 2.3. Legislação .................................................................................................................................. 23 2.4. Danos e mitigação sísmica ........................................................................................................ 24 2.4.1. Danos associados aos elevadores .................................................................................... 25 2.4.2. Mitigação sísmica ............................................................................................................... 27 3. Estruturas de elevadores para reabilitação de edifícios .................................................................... 29 3.1. Dificuldades na implementação de sistemas de elevadores em edifícios antigos .................... 29 3.2. Soluções correntes .................................................................................................................... 32 3.3. Acções desenvolvidas pelo sistema de elevadores................................................................... 35 4. Estruturas de elevadores como elementos de reforço sísmico de edifícios antigos ......................... 39 4.1. Generalidades ............................................................................................................................ 39 4.2. Edifícios antigos ......................................................................................................................... 40 4.3. Edifícios antigos- o caso do edifício gaioleiro ............................................................................ 42 4.3.1. Características arquitectónicas e estruturais ..................................................................... 43 4.3.2. Comportamento sísmico .................................................................................................... 45 4.4. Aspectos a considerar na concepção de estruturas de reforço sísmico ................................... 47 4.5. Concepção de estruturas de reforço sísmico ............................................................................ 49 ix 4.5.1. Quadro resumo das estruturas de reforço analisadas ....................................................... 55 4.6. Estudo sísmico das propostas de estruturas de elevadores ..................................................... 56 4.6.1. Modelação do comportamento não linear .......................................................................... 56 4.6.2. Considerações gerais ........................................................................................................ 56 4.6.3. Edifício modelo ................................................................................................................... 59 4.6.4. EM1- Estrutura metálica 1 .................................................................................................. 64 4.6.5. EM2- Estrutura metálica 2 .................................................................................................. 65 4.6.6. EM3- Estrutura metálica 3 .................................................................................................. 68 4.6.7. EM4- Estrutura metálica 4 .................................................................................................. 70 4.6.8. EM5- Estrutura metálica 5 .................................................................................................. 72 4.6.9. EBA- Estrutura de betão armado ....................................................................................... 73 4.6.10. Comparação de resultados ................................................................................................ 74 4.6.11. Verificação de segurança ................................................................................................... 77 4.6.12. Facilidade de implementação ............................................................................................ 82 5. Estudo sísmico de um edifício gaioleiro reforçado ............................................................................ 83 5.1. Generalidades ............................................................................................................................ 84 5.2. Concepção dos elementos de reforço ....................................................................................... 86 5.3. Análise de resultados ................................................................................................................. 89 5.4.1. Comportamento modal ....................................................................................................... 89 5.4.2. Análise de deformações ..................................................................................................... 91 5.4.3. Análise de esforços e verificação de segurança ................................................................ 93 5.4. Discussão da solução de reforço ............................................................................................... 98 6. Considerações finais .......................................................................................................................... 99 6.1. Conclusões ................................................................................................................................. 99 6.2. Desenvolvimentos futuros ........................................................................................................ 102 6. Bibliografia ........................................................................................................................................ 104 x