Investigação do efeito da escorregamento aderente em elementos finitos para quadros de edifícios escolares de concreto armado vulneráveis a sismos

Por que prédios escolares e fissuras ocultas importam

Ao redor do mundo, terremotos repetidamente danificaram ou colapsaram escolas, transformando salas de aula em locais perigosos. Muitas dessas escolas são de concreto armado, com barras de aço embutidas em pilares e vigas de concreto. Engenheiros costumam supor que o aço e o concreto estão perfeitamente aderidos, movendo-se como um só. Na prática, durante abalos fortes, o aço pode deslizar dentro do concreto, alterando o comportamento global do edifício. Este estudo explora como esse escorregamento oculto — denominado bond-slip — afeta a resposta de prédios escolares vulneráveis a terremotos e como modelos computacionais melhores podem evitar que superestimemos sua segurança.

Lições de terremotos passados

Diversos terremotos destrutivos na Itália, China e Coreia do Sul revelaram uma fraqueza comum: escolas mais antigas não foram projetadas segundo normas sísmicas modernas. Seus pilares e juntas frequentemente têm estribos finos e espaçados, ganchos em 90 graus e cobrimento de concreto excessivamente espesso. Esses detalhes reduzem a capacidade do concreto de prender as barras de aço e resistir a esforços de cisalhamento. Em eventos passados, os danos concentraram-se nos pavimentos inferiores, especialmente nas bases das colunas e nas juntas viga-pilar, onde flexão, cisalhamento e falha de aderência entre aço e concreto se combinaram para criar pavimentos macios e colapsos parciais ou totais. Como muitos edifícios semelhantes continuam em uso, entender e simular esses padrões de falha é crucial para avaliações sísmicas realistas e para projetar reforços.

De ensaios laboratoriais a gêmeos digitais

Para ancorar seus modelos na realidade, os autores usaram resultados de ensaios de um quadro escolar de concreto armado de dois pavimentos construído em escala dois terços, seguindo padrões de projeto escolar coreanos da década de 1980 que não previam exigências sísmicas. O espécime foi carregado ciclicamente em vaivém enquanto uma carga vertical constante simulava o peso do edifício. Instrumentos registraram deslocamentos laterais e deformações internas nas barras de aço. O quadro desenvolveu fissuras por flexão, verticais e diagonais, com danos severos nas colunas do primeiro pavimento e nas juntas. Fissuras verticais ao longo das barras e perda precoce de rigidez mostraram que o escorregamento entre aço e concreto ocorreu antes do escoamento das barras, enfatizando que o comportamento da aderência — não apenas a resistência do aço — pode dominar como essas estruturas degradam.

Três maneiras de modelar o escorregamento invisível

Os pesquisadores então construíram um modelo por elementos finitos detalhado das colunas, juntas e do quadro completo de dois pavimentos usando o software LS-DYNA. Testaram três formas diferentes de representar a conexão entre as barras de aço e o concreto circundante. No modelo de “aderência perfeita”, aço e concreto compartilham os mesmos nós, impedindo qualquer deslizamento. No modelo “linear-elástico”, vínculos tipo mola permitem algum movimento relativo com rigidez constante, capturando atrito mas não uma falha de aderência verdadeira. No modelo “não linear-inelástico”, as molas seguem uma curva realista de bond–slip retirada de recomendações de projeto: a resistência de aderência aumenta com pequenos deslizamentos, atinge um pico e então amolece gradualmente conforme o dano se acumula. Esta última abordagem foi aplicada especialmente ao reforço das colunas do primeiro pavimento, onde os ensaios mostraram que a falha de aderência teve maior impacto no comportamento global do quadro.

O que as simulações revelaram

Ao comparar curvas de histerese simuladas e medidas — gráficos que mostram como força e deslocamento se ciclizam durante carregamento reverso — a equipe avaliou três medidas de desempenho-chave: rigidez efetiva, resistência máxima e dissipação de energia. O modelo tradicional de aderência perfeita consistentemente fez a estrutura parecer mais forte e mais resistente do que realmente era, superestimando a resistência máxima em cerca de 38% e a dissipação de energia em mais de 50% no quadro completo. O modelo de aderência linear-elástico reduziu esses erros, mas ainda exagerou resistência e energia em torno de 25–40%, porque não permitia que a resistência de aderência caísse após o aparecimento de fissuras. Em contraste, o modelo não linear de bond-slip correspondeu de perto aos ensaios: rigidez efetiva, resistência máxima e dissipação de energia diferiram dos experimentos em menos de cerca de 8%, e os padrões de fissuração previstos e as localizações de dano nas bases das colunas e nas juntas espelharam o observado em laboratório.

O que isso significa para escolas mais seguras

Para não especialistas, a mensagem-chave é que modelos computacionais padrão, que assumem que aço e concreto nunca se separam, podem transmitir uma falsa sensação de segurança para prédios escolares antigos de concreto armado. Eles tendem a subestimar quão rapidamente rigidez e resistência se degradam e quanto o sistema realmente consegue absorver de energia antes de danos severos. Ao modelar explicitamente como as barras de aço gradualmente se soltam do concreto, engenheiros obtêm previsões mais realistas de dano e risco de colapso. O estudo sugere que mesmo versões simplificadas da abordagem não linear de bond-slip poderiam melhorar significativamente avaliações sísmicas de rotina e projetos de reforço, ajudando a garantir que, quando o próximo terremoto ocorrer, os edifícios escolares se comportem mais como os modelos cuidadosamente validados — e muito menos como as estruturas inesperadamente frágeis observadas em desastres passados.

Citação: Kang, H., Lee, K., Shin, S. et al. Investigation of finite element simulation-based bond-slip effect for seismically vulnerable school reinforced concrete building frame. Sci Rep 16, 12809 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43419-6

Palavras-chave: edifícios escolares de concreto armado, desempenho sísmico, modelagem do escorregamento aderente, simulação por elementos finitos, reforço sísmico