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Segurança integrada antiterremoto – cidades e designs na linha de frente

Each year, there are approximately 500,000 detectable earthquakes around the world, about 20 of which are large ones. And only a few of those occur in densely populated areas. But why is it that earthquakes of similar magnitudes can have such widely varying effects? For instance, cities in New Zealand, Chile and Haiti experienced similarly sized major quakes in 2010. Christchurch and Santiago suffered, but Port Au Prince was devastated. Most of the injuries from earthquakes come from collapsing buildings, so everything from zoning and planning to design and construction are key factors in creating safer buildings. URBAN HUB looks at some of the cities and ideas at the cutting edge of earthquake safety.
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Inteligentes por dentro e por fora - De muitas formas, o conceito de cidade inteligente não é nada mais que um bom planejamento urbano, que incorpora os avanços da tecnologia digital e novas formas de pensar aos conceitos de cidade antigos, de relacionamentos, comunidade, sustentabilidade ambiental, democracia participativa, boa governança e transparência.
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Criado em 09/05/2018

Por que terremotos são tão desafiadores?

Quando as placas tectônicas da Terra colidem e se desgastam, as ondas resultantes sacodem o solo e tudo que está sobre ele. Os edifícios são construídos para suportar a carga vertical da estrutura. Mas os terremotos também criam uma carga lateral que dificulta a segurança das construções.

Dificulta, mas não impossibilita. Há vários métodos comprovados para construir edifícios antiterremoto. Infelizmente, esses métodos nem sempre são usados. Por exemplo, grande parte da devastação do grande terremoto na Cidade do México em setembro de 2017 foi causada pelo desabamento de edifícios que utilizaram uma construção barata de concreto de laje plana – agora proibida em vários países.

Em comparação, o edifício empresarial Torre Mayor de 57 andares, na mesma cidade, foi construído usando materiais e tecnologias adequadas. O prédio de 225 metros de altura encontra-se numa estrutura suportada por 252 pilhas perfuradas profundamente, que ancoram a superestrutura de colunas de aço com revestimento de concreto reforçado e aço estrutural. Dentro do edifício, 98 amortecedores sísmicos absorvem e neutralizam as vibrações de terremotos. Em setembro de 2017, esse prédio se saiu bem!

“Os prédios com altura de baixa a média são mais suscetíveis a abalos do solo, enquanto um prédio de 100 andares fica ironicamente fora dessa frequência do terremoto e, portanto, não entra em ressonância.”

David Malott, Chairman, Diretor do Conselho de Edifícios Altos e Habitat Urbano

A Torre Mayor contém vários recursos de segurança antiterremoto.

Regras: o primeiro passo na criação de cidades antiterremoto

Grande parte da devastação da Cidade do México poderia ter sido prevenida com regras adequadas. Isso inclui aspectos como zoneamento e códigos de construção que abordam onde e como um edifício pode ser construído, assim como a questão importante da verificação do cumprimento das regras.

Os governos estabeleceram o nível da segurança pública ao desenvolver um bom planejamento de uso de terrenos e microzoneamento sísmico (por exemplo, por tipo de solo, tipo de falha, etc.) A engenharia de terremotos é uma ciência, mas é preciso que regras adequadas sejam estabelecidas e seguidas para que os especialistas possam usar seu conhecimento de forma proveitosa.

Os engenheiros podem, então, desenvolver suas ferramentas, começando com métodos de pré-construção, como análise de interação do solo com a estrutura e análise espectral específica do local. Os pesquisadores testam simulações de escala em “mesas vibratórias” gigantes em laboratórios, desde Kobe (Japão) e Déli (Índia) até Argel (Argélia) e Reno (EUA).

Eles continuam seu trabalho com várias ferramentas numéricas, instrumentos em tempo real e software de visualização 3D, adaptando e calibrando o design do projeto conforme ele se desenvolve. Isso resulta em uma solução personalizada para a combinação específica de riscos e perigos enfrentados por cada edifício.

 

Uma experiência emocionante: uma grande mesa vibratória perto de Kobe.

Isolando a base

As regras estabelecem um cenário que permite que os especialistas de design e construção exibam suas habilidades e criatividade. Uma área óbvia para isso é nos alicerces.

As técnicas de isolamento de base permitem que um edifício flutue em um sistema de suportes como os de metal ou de borracha com núcleo de chumbo, molas de trabalho pesado, cilindros acolchoados, deslizadores ou até mesmo almofadas de ar. Os terminais do enorme e novo Aeroporto Internacional Sabiha Gökçen em Istambul (Turquia) usa 300 sistemas de isolamento de base capazes aguentar um terremoto de 8,0 Mw.

O propósito de um isolamento sísmico da base como esse é absorver passivamente ou desviar a energia cinética do terremoto por meio da inserção de um amortecedor elástico ou deslizante entre a base ou subestrutura e a superestrutura do edifício. Outro exemplo recente é a nova sede futurista da Apple perto de São Francisco (EUA), que fica em cima de 700 isoladores de base. Os edifícios que usam essa técnica geralmente também são rodeados por um “fosso”, permitindo que eles se movam livremente sem danificar estruturas próximas.

Controlando vibrações prediais

Se o isolamento de base procura reduzir a carga sísmica em um edifício a partir da base, as técnicas de controle de vibrações procuram dispersar, dissipar ou absorver as energias ondulares dentro do prédio.

Um desses métodos já virou, inclusive, uma atração turística – entre o 87º e o 92º andar do prédio superalto Taipei 101 em Taipei (Taiwan). Nesse local, o que parece uma bola de metal dourada de 728 toneladas funciona como o maior amortecedor de massa sintonizada (TMD – Tuned Mass Damper) do mundo. Útil para combater tanto ventos fortes quanto ondas sísmicas, o TMD se move como um pêndulo na direção oposta das vibrações que agem no edifício, neutralizando a energia e mantendo o prédio em equilíbrio.

Enquanto isso, em Tóquio (Japão), a Torre Mori de 238 metros usa um sistema no núcleo do edifício para combater de forma parcialmente ativa a energia do terremoto. Amortecedores de aço suave perto da base interior permitem que o prédio expanda e balance com segurança. Eles são conectados a amortecedores com óleo que usam resistência a fluidos para absorver vibrações, enquanto amortecedores integrados de frenagem convertem simultaneamente outras vibrações em calor friccional.

Usando materiais melhores

Além de regras, design e técnicas, os materiais são importantes. Os materiais precisam combinar rigidez com ductilidade: eles precisam ser capazes de se dobrar sem quebrar. Materiais frágeis, como alvenaria não reforçada ou blocos de concreto, são os materiais mais perigosos durante terremotos.

Basta analisar o caso do novo Wilshire Grand Center de 73 andares – o edifício mais alto de Los Angeles. Ele utiliza ligas com memória de forma (LMF) em seus suportes resistentes a dobras. Esses suportes curvam-se dinamicamente sob pressão, mas depois retornam ao seu formato original. Se eles por acaso atingirem o limite de sua elasticidade, eles se aquecem e a energia cinética produzida sismicamente é transformada, de forma segura, em energia térmica. O edifício também conta com um enorme núcleo retangular e estabilizadores de vários andares e, assim como em Taipei, grande parte disso é exposta para todos verem.

E os edifícios antigos?

Edifícios antigos também precisam resistir a terremotos. Muitos dos novos métodos para segurança antiterremoto também estão sendo usados para adaptá-los. Adicionar um isolamento sísmico de base é uma maneira popular de proteger prédios antigos e históricos, como no City-County Building em Salt Lake City (EUA) e no escritório principal de 122 anos da sede do Banco do Japão em Tóquio.

Outra forma de fornecer segurança antiterremoto aos edifícios é adicionando uma estrutura exterior de aço. A Rostrevor House em Wellington (Nova Zelândia) utiliza uma EBF (Eccentrically Braced Steel Frame, ou estrutura com suporte de aço excêntrico) para adicionar resistência à sua estrutura, com baixos custos. E em Nomi (Japão), uma cortina leve de termoplástico de 9 mm e hastes de fibra de carbono ajudam o edifício Fa-bo a balançar com segurança no ritmo das ondas sísmicas.

Métodos mais antigos também estão sendo reconsiderados. Por exemplo, em Quito (Equador), a força flexível e de baixa tecnologia do bambu está sendo incentivada pelo governo local para edifícios menores. Ainda mais ambicioso é o trabalho da Fraunhofer WKI em Braunschweig (Alemanha). Esse instituto de pesquisa avançada com madeira está explorando o uso de grandes vigas de madeira maciça para capacidade de carga em prédios altos. Se isso não parece alta tecnologia suficiente, eles também estão trabalhando na criação de conectores de aço elástico ultraduráveis e controlados por sensores para ajudar os edifícios a manterem a integridade estrutural durante terremotos.

Fa-bo a Japão
“A madeira é extremamente durável, leve mas ainda assim estável e perfeita para terremotos. Em suas propriedades mecânicas, ela pode ser comparada facilmente com compostos extremamente duráveis – só que com um custo de material significativamente menor.”

Norbert Rüther, Gestor de projetos do Fraunhofer WKI

Planejamento urbano e preparo holístico

Criar segurança antiterremoto é uma tarefa multifacetada – parte do que é chamado de planejamento urbano holístico de redução de riscos. Por exemplo, cidades que estão em risco também precisam proteger locais perigosos e infraestruturas vitais; além disso, os serviços de emergência devem ser capazes de reagir rapidamente. Muitas cidades usam sensores sísmicos inteligentes para avisar sobre um terremoto antes de as grandes ondas de abalos ocorrerem.

A consciência e preparo dos cidadãos antes, durante e após os tremores também são parte da política pública. Em Bogotá (Colômbia), por exemplo, os donos de propriedades recebem as ferramentas para tornar suas casas mais resistentes. Em cidades em toda a América do Norte, como Seattle e Vancouver, simulações de terremotos anuais (Great Shakeout Earthquake Drills) combinam conselhos práticos e treinamentos com diversão e jogos.

A segurança dos elevadores também faz parte desse cenário. Fabricantes responsáveis pesquisam continuamente como os terremotos afetam os edifícios altos e seus componentes de elevador. Por exemplo, a thyssenkrupp Elevator realiza pesquisas com a Tongji University em Xangai sobre essa questão. A empresa também usa um sistema de amortecedor de massa ativa (AMD) integrado em suas novas torres de teste na Cidade de Zhongshan (China) e Rottweil (Alemanha). Esses edifícios podem, de fato, simular um terremoto, para que os cientistas possam continuar a proteger os dispositivos de mobilidade que utilizamos todos os dias.

Enquanto isso, os elevadores usam detectores sísmicos integrados para avisar com antecedência sobre um terremoto iminente. Depois disso, interruptores levam o elevador automaticamente para o primeiro andar disponível e abrem as portas.

Construindo cidades antiterremoto

O preparo para terremotos está se expandindo para todas as direções, de ideias de próxima geração – como o ViBa, uma barreira vibratória planejada para ser colocada debaixo de ruas e ao redor de edifícios para absorver ondas de choque – até um melhor zoneamento, aplicação e maior envolvimento dos cidadãos no preparo para o inevitável em áreas sujeitas a terremotos. Deixar as cidades equipadas contra terremotos é uma tarefa complexa que envolve tecnologia, planejamento, design, materiais e preparo dos cidadãos. É assim que mantemos nossas cidades seguras – em áreas de terremotos e em todos os lugares!

 

This short video by The Economist shows some of the techniques being applied to make buildings more earthquake-proof. Note that one of the techniques is hundreds of years old but has been updated and resized for use in supertall skyscrapers.