Métodos de análise sísmica: fundamentação teórica

Os métodos de análise sísmica são ferramentas fundamentais na engenharia de sismos, permitindo que os engenheiros avaliem a resposta estrutural de edifícios e infraestruturas às forças sísmicas. Cada método varia em complexidade, precisão e exigências computacionais, atendendo a diferentes cenários de dimensionamento, complexidades estruturais e zonas sísmicas.

Este artigo fornece uma visão abrangente dos métodos essenciais de análise sísmica, explicando os seus princípios e aplicações, bem como os cenários nos quais são mais eficazes. Uma vez que o utilizador compreende esses conceitos, poderá explorar o nosso próximo artigo da base de dados de conhecimento, que ilustra como esses métodos podem ser implementados usando os módulos apropriados para RFEM 6/RSTAB 9.

Análise Estática

Método de força lateral equivalente

Este método é uma das abordagens mais simples para estimar forças sísmicas. É amplamente utilizado para estruturas com uma configuração regular, simétrica e altura relativamente limitada. Para tais estruturas, a contribuição do primeiro modo é tipicamente dominante, com a relação de massa participante modal do primeiro modo frequentemente excedendo 70-80%, tornando aceitável considerar apenas o primeiro modo de forma da estrutura. Assim, os valores de carregamento são determinados distribuindo a força de corte na base por cada base de piso na forma do primeiro modo. Isso é alcançado definindo uma força estática derivada das propriedades do primeiro modo.

Aplicações:

• Adequado para edifícios com geometria regular e distribuição de massa uniforme.
• Regularmente utilizado para o dimensionamento preliminar de estruturas, bem como o dimensionamento final de estruturas simples. Também é usado para verificações de conformidade com as normas.

Limitações:

• Ignora modos de vibração elevados e as suas contribuições.
• Aplicabilidade limitada para edifícios irregulares ou de grande altura.

Método de força lateral equivalente na análise sísmica

Método de Análise Pushover

O método de análise pushover é outro método estático, mas também não linear, uma vez que envolve a aplicação de uma carga estática combinada com análise não linear. A estrutura é submetida a forças unitárias na forma do primeiro modo, e as localizações das articulações plásticas são determinadas iterativamente. Esta análise fornece o espectro de capacidade que, quando comparado com o espectro de resposta selecionado, reflete o nível de desempenho real da estrutura. Se a estrutura for irregular ou alta - significando que os modos superiores desempenham um papel significativo - de ser utilizada a análise pushover modal. Neste caso, tanto a forma do primeiro modo quanto os modos superiores são considerados (como na análise modal).

Aplicações:

• O principal objetivo da análise pushover é avaliar o desempenho sísmico de estruturas existentes, tornando-o especialmente valioso para a aplicação posterior. Pode ser usado para avaliar a eficácia de modificações propostas.
• Também é útil para simplificar o comportamento estrutural sob cargas horizontais. A curva de força-deformação resultante (curva de resistência) fornece aos engenheiros uma maneira intuitiva de interpretar e compreender o comportamento da estrutura.

Limitações:

• Ignora modos de vibração superiores e as suas contribuições.
• Geralmente utilizado no dimensionamento sísmico baseado em desempenho, onde o objetivo é garantir que a estrutura tenha um desempenho adequado durante um evento sísmico, em vez de apenas atender às forças prescritas pelo código.

Análise pushover em engenharia sísmica

Análise Dinâmica

Análise do espectro de resposta

Na análise do espectro de resposta, os modos próprios da estrutura são combinados com as acelerações correspondentes do espectro de resposta. Pesando as formas de modo com suas massas modais efetivas e aplicando as acelerações, um estado estrutural - incluindo deformações resultantes e forças internas - pode ser derivado sem a necessidade de criar carregamentos equivalentes. Os resultados dos modos individuais são então combinados usando técnicas de combinação padronizadas, sendo a mais comum a regra SRSS (Raiz quadrada da soma dos quadrados).

As estruturas possuem múltiplos graus de liberdade, levando a várias formas de modo. A contribuição de cada forma de modo é tipicamente definida pela relação de massa participante modal, que representa a massa associada a cada forma de modo dividida pela massa total da estrutura. Como calcular para cada modo geralmente é impraticável, as normas de dimensionamento permitem que a relação de massa modal participante total exceda uma certa porcentagem, apesar de o limite exato poder variar dependendo da norma em específico ou anexo aplicado.

Aplicações:

• Aplicável a edifícios sem comportamento não linear significativo, onde a análise elástica fornece um nível adequado de segurança, ou onde a não linearidade estrutural pode ser simplificada usando um fator de comportamento que contabiliza o comportamento inelástico na análise espectral de resposta. Este fator pode ser referido por diferentes nomes dependendo da norma ou código específico a ser utilizado.
• Para situações onde a simplicidade computacional da RSA supera a necessidade de resultados detalhados e dependentes do tempo.

Limitações:

• Assume comportamento linear elástico, tornando-o inadequado para estruturas que se espera que passem por comportamento não linear significativo que não pode ser adequadamente gerido usando o fator de comportamento.
• Representação simplificada da entrada sísmica: o dimensionamento do espectro de resposta usado na RSA é tipicamente derivado de uma representação simplificada e idealizada do movimento do solo.

Análise do espectro de resposta para dimensionamento sísmico

Análise de histórico de tempo

Este método envolve a aplicação de registros de movimento do solo dependentes do tempo (acelerogramas) a um modelo estrutural para simular sua resposta ao longo do tempo. Fornece resultados detalhados, incluindo deslocamentos, acelerações e forças internas a cada passo de tempo. A análise pode ser linear ou não linear, dependendo da forma como o comportamento do material e a resposta estrutural são considerados durante o processo de carregamento. No caso linear, a estrutura é modelável assumindo comportamento linear elástico, enquanto no caso não linear, a análise considera tanto as não linearidades de material e geométricas. Portanto, a análise de histórico de tempo não linear é a abordagem mais avançada, capturando toda a gama de não linearidade de material e geométrica sujeitas cargas sísmicas dependentes do tempo.

Aplicações:

• Geralmente usada em fases de dimensionamento detalhados ou para estruturas em zonas com alta atividade sísmica.
• Essencial para estruturas complexas, irregulares ou altamente sensíveis.

Limitações:

• Computacionalmente intensiva e demorada.
• Requer experiencia em modelação e interpretação.

Diagrama de aceleração de análise de histórico de tempo

Conclusão

Os métodos de análise sísmica variam desde abordagens estáticas simples até simulações dinâmicas altamente detalhadas, cada um atendendo a necessidades específicas do dimensionamento e complexidades estruturais. A Tabela 1 fornece uma visão geral dos compromissos entre complexidade, precisão e aplicações práticas de cada método. Enquanto o Método de Força Lateral Equivalente é suficiente para edifícios regulares de baixa altura, métodos avançados como a Análise de Histórico de Tempo Não Linear são indispensáveis para estruturas complexas em zonas com alta atividade sísmica. A escolha do método deve equilibrar precisão, exigências computacionais e requisitos do projeto, assegurando dimensionamentos resilientes que protejam vidas e infraestrutura durante terremotos.