Engenharia sísmica é um ramo interdisciplinar da engenharia dedicado ao projeto e à análise de estruturas, como edifícios e pontes, considerando a ação de sismos. Seu objetivo geral é tornar essas estruturas mais resistentes aos efeitos sísmicos. O engenheiro sísmico procura projetar estruturas que não sofram danos sob tremores fracos e que evitem danos graves ou colapso durante um sismo forte.
Uma estrutura projetada adequadamente para sismos não precisa ser extremamente resistente nem dispendiosa. Ela precisa ser concebida para suportar os efeitos sísmicos dentro de um nível aceitável de danos.
Definição A engenharia sísmica estuda formas de proteger a sociedade e os ambientes natural e construído contra sismos, limitando o risco sísmico a níveis socioeconomicamente aceitáveis. Tradicionalmente, seu campo era definido de forma mais estreita como o estudo do comportamento de estruturas e geoestruturas submetidas a carregamento sísmico, dentro de áreas como engenharia estrutural, engenharia geotécnica, engenharia mecânica, engenharia química e física aplicada. Os custos observados em sismos destrutivos ampliaram esse escopo para outros ramos da engenharia civil, da engenharia mecânica e da engenharia nuclear, além das ciências sociais, em especial sociologia, ciência política, economia e finanças.
Entre os objetivos da engenharia sísmica estão: prever as possíveis consequências de sismos fortes em áreas urbanas e na infraestrutura civil; projetar, construir e manter estruturas para que apresentem o desempenho sísmico esperado sob a ação de sismos e atendam aos códigos de construção.
miniatura|Ensaio destrutivo em mesa sísmica de um modelo convencional de edifício, à esquerda, e de um modelo com isolamento de base, à direita, na Universidade da Califórnia em San Diego.
História Depois do sismo de Lisboa de 1755, a reconstrução da Baixa de Lisboa empregou edifícios de alvenaria com uma armação interna tridimensional de madeira, a gaiola pombalina. Essa armação aumentava a estabilidade global da alvenaria e sua capacidade de dissipar energia sob carregamentos sísmicos.
Os sismos da Calábria de 1783 levaram o governo Bourbon do Reino de Nápoles a adotar um sistema construtivo destinado a reduzir danos em futuros sismos. A casa baraccata usava uma armação interna de madeira embutida na alvenaria de pedra. As regras abrangiam altura dos edifícios, fundações e contraventamentos diagonais em X para resistir a forças laterais. O sistema foi incorporado a um código de construção promulgado em 1785.
Carregamento sísmico
Carregamento sísmico é a aplicação, sobre uma estrutura ou geoestrutura, da excitação produzida por um sismo. Ela ocorre nas superfícies de contato da estrutura com o solo, com estruturas adjacentes ou com ondas de gravidade geradas por um tsunâmi. O carregamento esperado em determinado ponto da superfície terrestre é estimado pela sismologia de engenharia e se relaciona ao perigo sísmico do local.
A demanda sobre uma estrutura depende da intensidade, da duração e do conteúdo de frequências do movimento do solo, das propriedades dinâmicas da estrutura e das condições geológicas do terreno. Camadas superficiais de solo mole podem amplificar as ondas sísmicas antes que elas alcancem a fundação. A amplitude e as frequências amplificadas dependem da geometria das camadas, de propriedades como densidade, velocidade de propagação das ondas e amortecimento, e do movimento incidente no substrato rochoso.
miniatura|Tokyo Skytree, a estrutura do tipo torre mais alta do mundo e uma das estruturas mais altas do mundo. Seu sistema de controle de vibrações combina uma coluna central de concreto armado ligada à torre por amortecedores de óleo e dois amortecedores de massa sintonizada no topo.
Desempenho sísmico
Desempenho sísmico é a capacidade de uma estrutura de conservar suas funções principais, como segurança e condições de serviço, durante e depois de uma determinada exposição sísmica. Uma estrutura é considerada segura quando não coloca em risco a vida nem o bem-estar das pessoas que estão dentro dela ou ao redor por meio de colapso parcial ou total. Ela pode ser considerada apta ao serviço quando consegue cumprir as funções operacionais para as quais foi projetada.
Os conceitos básicos adotados nos códigos de construção procuram fazer com que um edifício resista a um sismo raro e muito forte com danos substanciais, mas sem colapso global. Para eventos mais frequentes e menos severos, a meta pode ser manter o edifício operacional.
Avaliação do desempenho sísmico Os engenheiros precisam quantificar o desempenho sísmico observado ou previsto e os danos associados a um edifício submetido a determinada intensidade de movimento do solo. Essa avaliação pode ser feita por ensaios ou por análise computacional.
Avaliação experimental As avaliações experimentais costumam ser ensaios dispendiosos nos quais um modelo, muitas vezes em escala reduzida, é colocado sobre uma mesa sísmica que reproduz o movimento do solo, enquanto seu comportamento é observado. Instalações como a E-Defense, no Japão, permitem ensaios de estruturas em escala real. Experimentos desse tipo já eram realizados há mais de um século.
Como esses ensaios são caros, eles são empregados sobretudo para estudar o comportamento sísmico das estruturas, validar modelos e verificar métodos de análise. Depois de validados, modelos computacionais e procedimentos numéricos passam a responder por grande parte das avaliações de desempenho sísmico.
Avaliação analítica e numérica miniatura|esquerda|Imagem de um vídeo de ensaio em mesa sísmica de um edifício de concreto de seis pavimentos sem detalhamento dúctil, submetido a ensaio destrutivo.
A avaliação do desempenho sísmico, ou análise estrutural sísmica, combina modelos detalhados da estrutura com métodos de análise estrutural para estudar o desempenho sísmico de edifícios e de estruturas não prediais. Como conceito formal, essa técnica é relativamente recente.
Em geral, a análise estrutural sísmica se baseia nos métodos da dinâmica estrutural. Por décadas, o método do espectro de resposta foi uma das ferramentas centrais da análise sísmica e passou a integrar a formulação de códigos de construção.
Métodos lineares elásticos não reproduzem adequadamente o comportamento da estrutura depois que surgem danos e não linearidades. A integração numérica passo a passo permite analisar sistemas estruturais com mais de um grau de liberdade e resposta não linear sob a excitação transitória do movimento do solo. O método dos elementos finitos também é empregado em modelos computacionais não lineares de interação solo-estrutura.
Na avaliação de edifícios, são usados procedimentos como a análise estática não linear pushover e a análise não linear do histórico de resposta no tempo. Esses métodos exigem modelos adequados para vigas, colunas, ligações viga-coluna, paredes de cisalhamento e outros componentes. Resultados experimentais ajudam a definir os parâmetros desses componentes, sobretudo quando são esperadas deformações não lineares acentuadas. Os componentes são então reunidos em um modelo não linear da estrutura, que é analisado para estimar seu desempenho.
Os recursos do programa de análise condicionam os modelos de componentes e os métodos numéricos que podem ser usados. A robustez numérica se torna especialmente relevante quando a resposta entra no regime não linear e se aproxima de instabilidades locais ou do colapso. Programas empregados nesse tipo de avaliação incluem SAP2000, Perform3D, MTR/SASSI, SCIA Engineer, Abaqus e Ansys. Entre as plataformas voltadas à pesquisa estão o OpenSees, de código aberto, e o MASTODON, baseado no framework MOOSE e desenvolvido para análise sísmica e avaliação de risco. RUAUMOKO e DRAIN-2D/3D são outros programas usados em análises não lineares.
Pesquisa em engenharia sísmica miniatura|esquerda|Ensaio em mesa sísmica de apoios de pêndulo de atrito no Earthquake Engineering Research Center.
A pesquisa em engenharia sísmica reúne investigações de campo, análises e experimentos destinados a explicar fenômenos sísmicos, rever conceitos existentes à luz de novas observações e aplicar os resultados ao projeto e à avaliação de estruturas.
Nos Estados Unidos, a Fundação Nacional da Ciência (NSF) financia pesquisa experimental, analítica e computacional sobre o comportamento de sistemas estruturais diante de sismos e outros perigos naturais. Sua infraestrutura de pesquisa em perigos naturais inclui laboratórios de uso compartilhado, equipamentos de campo e recursos de simulação.
O Earthquake Engineering Research Institute (EERI) reúne e divulga pesquisas e informações técnicas sobre engenharia sísmica nos Estados Unidos e em outros países.
Uma relação de instalações experimentais para simulação de engenharia sísmica foi publicada pela Agência de Energia Nuclear da OCDE. Entre elas está a E-Defense, no Japão, uma mesa sísmica tridimensional de escala real com plataforma de 20 m por 15 m e capacidade de carga de 1.200 toneladas.
Programas de pesquisa dos Estados Unidos A NSF apoiou a George E. Brown Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES), uma rede criada para pesquisa experimental de redução de perdas causadas por sismos e tsunâmis. Ela operou como infraestrutura nacional de pesquisa entre outubro de 2004 e 30 de setembro de 2014. A NSF encerrou então o apoio às instalações experimentais da NEES e estabeleceu a Natural Hazards Engineering Research Infrastructure (NHERI) como sua sucessora.
O antigo programa Hazard Mitigation and Structural Engineering (HMSE) da NSF financiava pesquisas sobre redução dos efeitos de perigos naturais e antrópicos na infraestrutura civil, sistemas estruturais, segurança e confiabilidade, simulação e interação solo-estrutura. O programa foi posteriormente incorporado ao programa Engineering for Natural Hazards.
A NEES reunia 14 instalações experimentais. Elas incluíam mesas sísmicas, centrífugas geotécnicas, uma bacia de ondas de tsunâmi, laboratórios de ensaios estruturais em grande escala e equipamentos de campo. As instituições participantes incluíam Universidade Cornell, Universidade Lehigh, Universidade do Estado do Oregon, Instituto Politécnico Rensselaer, Universidade Estadual de Nova Iorque em Buffalo, Universidade da Califórnia em Berkeley, Universidade da Califórnia em Davis, Universidade da Califórnia em Los Angeles, Universidade da Califórnia em San Diego, Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Universidade de Minnesota, Universidade de Nevada em Reno e Universidade do Texas em Austin.
Os laboratórios e um repositório central de dados eram ligados à comunidade de engenharia sísmica pelo NEEShub. O sistema usava o software HUBzero, desenvolvido na Universidade Purdue para o nanoHUB, e a rede Internet2. A infraestrutura oferecia telepresença, repositório de dados, ferramentas de simulação, recursos colaborativos, visualização, acesso a computação de alto desempenho e materiais educacionais.
Esse ambiente permitia armazenar, organizar e compartilhar dados, acompanhar experimentos remotamente por vídeo e dados sincronizados em tempo real, colaborar no planejamento e na análise dos ensaios e executar simulações computacionais ou híbridas.
A NHERI sucedeu a NEES e oferece à comunidade de engenharia de perigos naturais acesso a instalações experimentais, infraestrutura cibernética, ferramentas de modelagem e simulação e dados de pesquisa.
Simulação de sismos As primeiras simulações de sismos aplicavam estaticamente a um modelo matemático de edifício forças horizontais de inércia baseadas em valores escalonados de aceleração de pico do solo. Com o avanço da computação, métodos estáticos passaram a dividir espaço com métodos dinâmicos.