CONECTOR PARA SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA EXPLOSÕES

PARA CONSTRUÇÕES

D OM Í N I O TÉ CN I C O

[0001] A presente divulgação, inserida no domínio técnico da engenharia civil, refere-se a um sistema de proteção de construções, em particular edifícios, contra explosões que compreende um painel de fachada prefabricado em betão armado ou noutro material com adequada capacidade de se deformar dissipando energia, ligado à estrutura do edifício através de conectores com capacidade de absorção da energia proveniente de explosões, reduzindo assim significativamente as ações transmitidas à estrutura e redistribuindo-as ao nível dos pisos.

AN TE CE D E N TE S

[0002] A análise de diversos casos de edifícios atingidos diretamente por explosões bem como de muitos estudos desenvolvidos sobre o tema permitiram, entre outras constatações, perceber que: 1) os elementos de revestimento de fachadas (alvenarias, caixilharias, painéis, outros) apresentam uma resistência muito inferior à dos elementos de suporte, resultando no seu colapso antes que existam consequências mais gravosas na estrutura portante; 2) a projeção de fragmentos de elementos das fachadas para o interior das construções pode ser letal, sendo um problema premente a controlar; 3) numa explosão convencional pelo exterior, o dano é primeiramente local (e.g. num pilar) podendo traduzir-se contudo num colapso global (colapso progressivo) . [0003] Por esta razão, uma série de soluções de proteção referidas na literatura são baseadas em encamisamento dos elementos com betão de alto desempenho reforçado com fibras. No entanto, essas intervenções são muito intrusivas e onerosas, sendo por isso raramente aplicadas a instalações existentes, além de não solucionarem os problemas anteriormente descritos em 1) e 2) . A fim de reduzir o peso das soluções de proteção sem prejudicar a sua capacidade de absorção de energia, vários investigadores focaram-se em barreiras anti-explosão fabricadas em painéis de aço perfilado, designadamente painéis sanduíche. O problema da fragmentação de paredes (especialmente de alvenaria não reforçada) e dos vãos envidraçados e a consequente possibilidade de lesão dos ocupantes das infraestruturas , foram alvo de inúmeros estudos, que são geralmente dedicados a: a) adicionar massa ao sistema, aumentando a espessura com paredes internas em alvenaria, betão ou elementos metálicos; b) adição de elementos verticais em aço, como forma de reduzir substancialmente o espaço livre para o sistema de parede; c) uso de polímeros reforçados com fibras (do inglês FRP - Fiber Reinforced Polymers) , colados à superfície para melhor suportar as elevadas tensões induzidas pelas explosões. Os dois primeiros têm a desvantagem de envolver perturbações significativas aos ocupantes da instalação em termos de tempo requerido para intervenção e perda de espaço interior. O uso de FRPs oferece grandes benefícios como técnica de reforço de alvenaria, permitindo aumentar a resistência à flexão fora do plano. Apesar do incremento de resistência obtido pelas soluções anteriormente apresentadas, o problema é que verdadeiramente nenhum destes sistemas resolve a questão da vulnerabilidade, do possível colapso local e do potencial colapso global da estrutura.

[0004] Em contrapartida, as realizações aqui apresentadas permitem absorver parte da energia da explosão e redistribuir a remanescente pela estrutura global, ao nível dos pisos. Deste modo, transforma-a numa ação equivalente à ação sísmica ou à ação do vento, ações regulamentares para as quais as estruturas já se encontram dimensionadas, protegendo os elementos portantes e assegurando a estabilidade estrutural. Para além disso, e não menos importante, permitem ainda mitigar a projeção de fragmentos resultantes de elementos frágeis normalmente contidos em fachadas, porquanto funciona como um sistema de encapsulamento.

[0005] Estes factos são aqui apresentados de forma a melhor ilustrar o problema técnico resolvido pelas presentes realizações .

DE S CRI ÇÃO GE RAL

[0006] A presente divulgação refere-se a um sistema dissipador de energia proveniente das explosões que se insere no domínio técnico da Engenharia Civil.

[0007] As estruturas correntes não são dimensionadas para suportar cargas devidas a explosões razão pela qual o colapso de certos elementos mais vulneráveis e/ou na proximidade da explosão tem elevada probabilidade de ocorrência, com um elevado potencial de se formarem, na sequência do primeiro, mecanismos de colapso progressivo, podendo conduzir ao colapso total da estrutura. Em contrapartida, as presentes realizações permitem a absorção da maior parte da ação gerada pela explosão e a redistribuição do valor remanescente ao nível dos pisos da estrutura, solicitando-a assim como se de uma ação dinâmica regulamentar (e.g. sismo, vento) se tratasse, dotando-a deste modo da capacidade para resistir à ação da onda de choque originada pela explosão.

[0008] Descreve-se um conector para um sistema de proteção de construções contra explosões que compreende: um dissipador para absorção da energia da explosão por deformação plástica; um corpo interior que compreende uma base e uma ou mais superfícies laterais para conter o dissipador; um corpo exterior que compreende uma base e superfície lateral para conter e envolver o corpo interior; em que o corpo interior e o corpo exterior estão encaixados de forma linearmente deslizável e bloqueada à separação do corpo interior e do corpo exterior.

[0009] Numa realização preferencial, o conector para proteção de construções contra explosões compreende uma guia para encaixe linear do corpo interior no corpo exterior.

[0010] Numa realização preferencial, a referida guia compreende uma ranhura no corpo interior ou no corpo exterior e um pino para deslizar linearmente na referida ranhura, respetivamente, no corpo exterior ou no corpo interior para que o corpo interior e o corpo exterior encaixem de forma linearmente deslizável e bloqueada à separação do corpo interior e exterior.

[0011] Numa realização preferencial, o dissipador são tubos dispostos transversalmente ao movimento de encaixe linearmente deslizável entre o corpo interior e o corpo exterior .

[0012] Numa realização preferencial, o referido dissipador são tubos de parede fina com secção circular, hexagonal ou equivalente .

[0013] Numa realização preferencial, as secções podem ser preenchidas com espuma, de preferência espuma metálica.

[0014] Os referidos tubos podem ter secção tubular, aberta ou fechada, de parede fina, vazia ou preenchida com espumas metálicas ou outro material com capacidade de deformação plástica. Os referidos tubos podem conter tubos adicionais no seu interior, com o mesmo ou diferente diâmetro, que por sua vez, podem conter outros tubos, com o mesmo ou diferente diâmetro .

[0015] Numa realização preferencial, o dissipador é metálico, em particular ligas de alumínio, aço macio (do inglês: mild Steel), ou compósitos reforçados com fibras ( FRC ) .

[0016] Numa realização preferencial, o conector compreende um ou mais orifícios para fixação.

[0017] Numa realização preferencial, o conector compreende um elemento de corte para acionar a estrutura metálica.

[0018] Descreve-se ainda um sistema de proteção de construções contra explosões, que compreende painel de fachada e uma pluralidade de conectores em que o painel está acoplado à pluralidade de conectores para suporte do referido painel .

[0019] Numa realização preferencial, o sistema de proteção de construções contra explosões compreende o painel de fachada em betão armado.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0020] Para uma mais fácil compreensão da presente divulgação juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais que, contudo, não pretendem limitar o objeto da presente divulgação.

[0021] Figura 1: representa uma realização de um pormenor exemplificativo do conector de absorção de energia em que:

( 1 ) Representa a parte superior da caixa metálica;

( 2 ) Representa o sistema de guia;

( 3 ) Representa a parte inferior da caixa metálica;

( 4 ) Representa o parafuso de guia;

( 5 ) Representa os elementos tubulares de paredes finas;

( 6 ) Representa a cavilha de retenção; ( 7 ) Representa o orifício para fixação.

[0022] Figura 2: perspetiva de uma realização da presente invenção em que :

( 8 ) Representa o conector;

( 9 ) Representa o painel de fachada;

( 10 ) Representa um pilar;

( 11 ) Representa uma laje.

[0023] Figura 3: representação esquemática de realizações com combinações possíveis de tubos para colocação na caixa do conector, em que os valores da figura correspondem ao tamanho dos tubos em mm.

[0024] Figura 4: representação esquemática de realizações de tipos de caixas.

[0025] As seguintes tabelas representam realizações com dimensões de cada tipo de caixa, e realizações com as principais propriedades dos materiais utilizados na presente invenção .

[0026] Tabela 1: Realizações com as dimensões de cada tipo de caixa

[0027] Tabela 2: Principais propriedades dos materiais utilizados na presente invenção (segundo o fornecedor) .

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DE S CRI ÇÃO DE TALHADA

[0028] A utilização de painéis pré-fabricados em revestimentos de fachada não é nova e apresenta-se como uma solução de aplicação rápida e eficiente. Contudo, os painéis tradicionais são aplicados ou sobrepostos, nas faces expostas de elementos de suporte e pisos, e ligados rigidamente à estrutura. A solução referida, ao transferir todas as cargas impostas para os elementos em contacto, não protege verdadeiramente os elementos críticos nem impede o colapso local. As soluções protetivas empregues de forma mais recorrente assentam na adição de elementos planares (núcleos dissipativos em soluções tipo sanduíche ou elementos metálicos) com o objetivo de mitigar a transferência de cargas, mas assim que a capacidade dissipativa é excedida o problema persiste.

[0029] A presente divulgação permite manter o painel de revestimento sem contacto direto com os elementos a proteger, empregando apoios dissipadores ao nível dos pisos, com um curso suficiente para acomodar (por compressão) a intensidade de uma dada explosão. As vantagens das presentes realizações são evidentes, quer na proteção dos elementos críticos, quer porque permite o aproveitamento do espaço entre o painel de revestimento e a estrutura para isolamento térmico e/ou acústico. Assim que o painel de revestimento é solicitado, este atua sobre os apoios, que por compressão começam a deformar o material contido no seu interior. Este processo permite a absorção parcial ou total da energia transmitida pela explosão, dependendo da sua magnitude e do

2 dimensionamento do conector. A parte residual será transmitida à estrutura ao nivel dos pisos, mobilizando assim a sua capacidade resistente às ações horizontais.

[0030] Os conectores, de acordo com as presentes realizações, são formados por uma caixa metálica, com duas partes (1,3), elementos tubulares de parede fina, metálicos ou de outro material dúctil, em número e geometria variável (5), colocados no interior da referida caixa. O encurtamento da caixa sem variação dimensional nas direções ortogonais é garantido por um sistema de guia (2,4) cuja dimensão linear representa o curso disponível para dissipação. O encurtamento do conector explora a capacidade de deformação plástica dos elementos preferencialmente tubulares, confinados pela caixa. O referido sistema de guia limita ainda o alargamento máximo, impedindo que o painel de fachada caia para o exterior do edifício por ação da fase negativa da onda de choque (sucção) . O conector inclui ainda preferencialmente um orifício para colocação de uma cavilha de retenção (6), dimensionada para funcionar por corte, quando excedido um determinado nível de solicitação. A sua inserção no conector impede que este encurte em razão de outras ações que não a de explosão. Em conjunto com o parafuso guia (4) mantém simultaneamente o alinhamento exterior dos painéis de fachada. Finalmente, o conector dispõe preferencialmente de um orifício para a sua fixação ao painel de fachada (7), garantido a coesão do sistema.

[0031] De seguida, descrevem-se resultados obtidos com realizações preferenciais cujos resultados estão documentados nas figuras 3-4 e nas tabelas da presente divulgação .

[0032] A resposta em regime quase-estático dos diferentes arranjos de tubos elegíveis para colocação na caixa do conector foi estudada. Os ensaios de compressão em regime

3 quase-estático foram realizados numa máquina universal de ensaios Instron 8800D com sistema de garras de aperto hidráulico regulável e 250 kN de capacidade de carga. O carregamento foi aplicado com controlo de deslocamentos, tendo sido prescrita uma velocidade de 0,4 mm/ s . Tanto a carga aplicada como o deslocamento relativo entre cabeçotes foram registados por intermédio de um data logger, com uma taxa de aquisição de dados de 10 Hz. Os espécimes foram ensaiados até a um nivel de deslocamento que antecedeu o limite de fecho da caixa, evitando-se esgotar o curso deformável máximo do conector que corresponde a um crescimento abrupto na carga aplicada - susceptivel de danificar o instrumento de ensaio. Tendo por objectivo determinar o arranjo com melhores caracteristicas de absorção de energia, optou-se por proceder ao ensaio das configurações constantes da primeira linha da Figura 3, selecionando nesta a mais vantajosa. Uma vez que as linhas evoluem com a introdução das mesmas alterações para todos os seus elementos, o passo seguinte foi analisar a coluna que lhe corresponde e escolher o elemento que reúne as melhores caracteristicas de absorção energética.

[0033] O desempenho energético foi avaliado através de indicadores como a absorção de energia total ( TEA) , a absorção de energia especifica ( SEA) , a força média de esmagamento ( MCF) , a eficiência da força de esmagamento ( CFE ) , a eficiência do esmagamento ( CE ) , o trabalho efectivo (W _{ef )} e a energia absorvida por unidade de altura ( EHL) , que são referenciados em vários artigos publicados neste âmbito. Em termos de absorção de energia, de acordo com a tabela 3, o arranjo 1E apresentou o melhor comportamento e, de acordo com a tabela 4, o arranjo 1E seria a pior opção. No entanto, este foi o arranjo escolhido para colocar na caixa do conector avaliado na fase de ensaios com recurso a

4 explosivos, em virtude da sua configuração simples, curso deformável e capacidade resistente perante as condições de ensaio com explosivos prescritas.

[0034] Tabela 3: Caracteristicas de absorção de energia de ensaios de compressão em regime quase-estático - I ^a linha

[0035] Tabela 4: Caracteristicas de absorção de energia de ensaios de compressão em regime quase-estático - coluna E

[0036] Quando submetido aos ensaios com recurso a explosivos, cujo plano e síntese de resultados se apresenta na tabela 5, verificou-se que:

5 • O Sistema de Protecção (SP) apresentou um óptimo comportamento em termos de distribuição do carregamento proveniente das explosões e posterior encaminhamento para os Conectores de Absorção de Energia (CAE) , não se registando qualquer fenómeno de deformação localizada;

• A deformação registada nos elementos tubulares das camadas inferiores dos CAE foi muito reduzida e permite concluir que o emprego deste tipo de SP materializa um meio de reduzir a transmissão do carregamento aplicado à estrutura que se pretende proteger; a deformação dos CAE indiciou ainda a adequada relação de rigidez entre o painel e os CAE, possibilitando que ambos se deformassem, absorvendo a energia proveniente da explosão ;

• Os modos de deformação obtidos foram semelhantes aos do ensaio de compressão em regime quase-estático ; considera-se assim que o ensaio de compressão reúne condições para reproduzir os efeitos de um ensaio com explosivos nos CAE desenvolvidos no presente estudo;

• A redução da flecha máxima do painel de fachada com a introdução dos CAE foi superior a 25 % - estimando-se que possa ascender a 30 % em condições óptimas de ensaio; o emprego deste tipo de CAE indicia, claramente, a possibilidade de tirar maior partido da capacidade de deformação dos painéis de betão armado utilizados, e o aumento do nivel de protecção conferido às estruturas; para o nivel de carga (NC) inferior, o SP absorveu energia sobretudo através da deformação por flexão do painel de fachada; para o NC superior (superior em cerca de 54 % em relação ao NC inferior) , a deformação do painel aumentou residualmente relativamente à registada no ensaio de referência (10 %) e o deslocamento máximo do SP sofreu um aumento considerável (75 %) ; o incremento no deslocamento máximo foi absorvido na sua grande

6 maioria pela deformação dos conectores; os CAE revelaram-se eficazes na absorção do acréscimo de energia associado ao aumento do NC . [0037] Tabela 5: Síntese de resultados de ensaios com recurso a explosivos.

7 [0038] As realizações descritas são combináveis entre si. A presente invenção não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma e de substituições de caracteristicas técnicas por outros equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, tal como definido nas reivindicações anexas. As seguintes reivindicações definem realizações adicionais da presente descrição.

04.11.2019

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