Cálculos sísmicos para estantes na Europa

31/08/2017

As taxas mais elevadas de perigo sísmico e a probabilidade de que ocorram terremotos costumam confluir em regiões situadas próximas aos limites das placas tectônicas da Terra. Na Europa os países com um maior risco sísmico são Itália, Grécia, Turquia, Chipre e Islândia. Em cada país existem áreas com maior risco do que outras. A prevenção e o cumprimento das Normas europeias sobre o desenho e construção dos sistemas de armazenamento são fundamentais para que as estantes possam resistir aos movimentos sísmicos.

Ao contrário das habituais estruturas de engenharia civil, as estantes foram especificamente desenhadas para suportar grandes cargas.  É possível garantir a estabilidade da mercadoria armazenada através da união entre os pilares e as longarinas, assim como pela estrutura de gelosia denominada montante.

Os componentes das estantes são formados por perfis de aço de alta resistência com uma espessura compreendida entre 1,8 e 3,0 mm. Estão sujeitos a situações de empenamento global, local e, especialmente nos pilares, também distorsional. Prever o comportamento estrutural das estantes é muito complicado e, por isso, seu desenho exige ensaios para conhecer as características mecânicas dos componentes e suas uniões.

 

Desenho sismorresistente das estantes

O desenho das estantes localizadas em áreas com um elevado risco sísmico é muito mais complicado comparativamente às estantes localizadas em outras áreas. O motivo é que não só devem ser capazes de suportar as forças dinâmicas (tanto horizontais quanto verticais) e os mecanismos de colapso global ou local, mas que, além disso, devem evitar a queda de paletes diante de um abalo sísmico.

A queda dos paletes pode provocar sérios danos aos bens, às pessoas e à própria estrutura das estantes, sem falar da perda econômica que representa para o proprietário do armazém, superior ao custo das estantes e ao reforço para suportar os abalos sísmicos.

Na Europa, até há poucos anos, não existia uma documentação oficial sobre o desenho de estantes preparadas para abalos sísmicos, tanto é que os projetistas utilizavam como referência as indicações proporcionadas pelo Rack Manufaturers Institute (RMI). Trata-se de uma associação comercial norte-americana que reagrupa as empresas pertencentes à indústria de manuseio de materiais e, entre seus objetivos de boas práticas para o setor, estão incluídas informações sobre como contabilizar as ações sísmicas. Além destas indicações, os projetistas também se baseavam no Eurocódigo 8 do CEN (Comitê Europeu de Normalização), relativo ao desenho antissísmico das estruturas (especificamente para a edificação).

No entanto, as estantes são estruturas de aço particulares, cujo comportamento se diferencia das estruturas de edificação. Consequentemente, muitas das configurações estruturais utilizadas nas estantes não estavam totalmente amparadas sob essas Normas.

Para resolver este problema, a European Racking Federation (ERF) – uma associação composta pelos maiores fabricantes da Europa, incluída a Mecalux – redigiu as recomendações para o desenho de estantes à prova de abalos sísmicos que, em 2016, inspiraram a norma EN 16681, aprovada pela Comissão Europeia.

Esta normativa de desenho em âmbito europeu permite unificar os critérios que devem ser cumpridos pelos fabricantes europeus quando constroem suas estantes, o que se traduz em estruturas muito mais seguras. Obviamente, os fabricantes americanos e asiáticos também devem desenhar seus produtos de acordo com essa norma para ter acesso ao mercado europeu.

 

Programas de pesquisa

As pesquisas sobre o comportamento das estantes metálicas frente aos movimentos sísmicos são muito recentes. De fato, os primeiros estudos foram realizados nos Estados Unidos após o terremoto ocorrido na localidade de Northbridge (Los Angeles), durante a madrugada do 17 de janeiro de 1994.

Após os últimos terremotos ocorridos na Europa – tal como na Turquia em 1999, com consequências devastadoras e um elevado impacto econômico –, e para suprir a falta de estudos sobre o comportamento dinâmico das estantes metálicas durante os movimentos sísmicos, a Comissão Europeia promoveu três programas de pesquisa:

  1. Programa Free Access To Large Scale Testing Facilities, em 2002, com a colaboração da União Europeia e do Ministério de Educação italiano.

  2. Programa Storage Racks in Seismic Areas (SEISRACKS), ), através do Fundo de Pesquisa do Carvão e do Aço, iniciado em dezembro de 2004 e concluído em junho de 2007. Os objetivos primordiais deste programa consistiam em conhecer o comportamento das estantes e desenhar normas específicas para suportar os movimentos sísmicos.

    Ambos os programas avaliaram o comportamento das uniões que formam as estantes. Portanto, nesse sentido, foram realizados ensaios em larga escala (através de empurre horizontal ou em mesa vibratória) com a finalidade de verificar a interação entre paletes e estantes, além de outros efeitos.

    A mesa vibratória é capaz de impor vibrações aos elementos testados para verificar a resistência sísmica das estruturas, reproduzindo o mesmo movimento do solo ao ocorrer um terremoto

    Como resultado destes estudos e dos conhecimentos obtidos durante as pesquisas, foi elaborado um código aplicável para as estantes metálicas de paletização, a pré-norma FEM 10.2.08, emitida em 2008.
     
  3. Programa Seismic Behaviour of Steel Storage Pallet Racking Systems (SEISRACKS 2), em 2011. O propósito deste estudo consistia em conhecer o comportamento fora do âmbito das longarinas, das conexões longarina-pilar e de toda a estrutura.
    Nos cálculos em 2D das estantes foram realizados cálculos em sentido longitudinal (paralelo aos corredores) e em sentido transversal (perpendicular aos corredores). Como consequência, a longarina unicamente intervinha no sentido longitudinal.

    Graças a este programa, contemplou-se a necessidade de estudar o movimento da longarina horizontalmente, ou seja, quando a unidade de carga se desloca tanto para frente quanto para trás durante o abalo sísmico.

 

Normativa Europeia

Em 2016 foi aprovada a norma EN 16681 (Armazenamento em estantes metálicas. Estante regulável para carga paletizada. Princípios para o desenho sísmico), e cuja definição final baseou-se na FEM 10.2.08, nos comentários recebidos após sua aplicação, assim como nos resultados obtidos a partir dos programas de pesquisa.

De acordo com esta norma as estantes em regiões sísmicas devem ser desenhadas e construídas cumprindo os requisitos a seguir para que tenham um grau de confiabilidade adequado:

1. Requisito de não colapso

  • A estrutura deverá ser desenhada e construída para resistir à ação sísmica sem colapso local ou geral, mantendo sua integridade estrutural e uma capacidade de carga residual após um evento sísmico.
  • Portanto, deve ser verificado se a estrutura cumpre a resistência e ductilidade especificadas.

2. Requisito de limitação de dano

  • A avaliação do nível de dano dos elementos estruturais é obrigatória após um abalo sísmico e antes de utilizar novamente a estante.

3. Movimento das unidades de carga
As acelerações sísmicas podem causar o deslizamento dos paletes sobre as longarinas quando superar o coeficente de atrito estático entre palete e longarina. As consequências destes fenômenos são:

  • A redução da ação sísmica na estante decorrente da dissipação de energia e da limitação da ação horizontal que pode ser transferida do palete para a estante.
  • A queda das unidades de carga pode provocar o colapso local ou global das estantes, assim como lesões em pessoas e danos nos equipamentos que estejam próximos.

 

Da mesma forma, a EN 16681 estabelece que o método de cálculo adotado como referência é a análise modal espectral, o MRSA (Modal Response Spectrum Analysis).

O desenho de estruturas resistentes a abalos sísmicos exige, primeiramente, o conhecimento do movimento ocorrido no solo durante um terremoto. Tal movimento refere-se às translações em qualquer sentido, combinadas com rotações ao redor de qualquer eixo.

Em engenharia, a carga sísmica costuma ser definida através de um acelerograma. Trata-se de um gráfico de tempo-aceleração do terreno que representa os componentes da aceleração no sentido horizontal e vertical causado por um terremoto em uma determinada localização.

 

Análise modal espectral

O MRSA é um estudo orientado para obter o conjunto de ações horizontais que atuam sobre os níveis das estantes e que deve ser absorvido pelos montantes, longarinas, travamentos, ou por suas uniões, entre outros componentes.

Consiste em estimar a resposta da estrutura no domínio da frequência em vez de ser estimado no domínio do tempo. Portanto, nesse sentido, é primordial conhecer a rigidez e o comportamento natural da estrutura, assim como o espectro de desenho de cada localização.

O espectro de desenho é a representação da aceleração do terreno (acelerograma) no domínio da frequência. Os parâmetros vão variar em função do tipo de abalo sísmico, da localização exata da instalação em relação ao epicentro, assim como da composição do terreno.

O espectro representa a resposta de um sistema idealizado diante de uma aceleração no domínio da frequência. Por conseguinte, permite conhecer a resposta da estrutura frente a uma frequência de excitação. Por exemplo, caso uma estante tenha uma frequência natural (T1), podem ser obtidos os esforços para tal frequência através do espectro.

No momento de observar o comportamento da estante é necessário efetuar previamente um cálculo modal (obtendo as formas naturais de vibração e suas frequências) que contemple:

  • O comportamento das uniões (a rigidez).
  • A massa do produto (as estantes com carga).
  • O fator de ocupação da estante (como estão distribuídos os paletes, se há níveis vazios, onde se encontram os paletes mais pesados…).
  • A redução da rigidez do sistema em função da carga.

Com todos estes dados a norma especifica e padroniza a forma em que afeta as estantes a maioria dos parâmetros mais relevantes e influentes (tipo de carga, grau de ocupação das estantes, tipo de unidade de carga, entre outros fatores). Além disso, ao tratar-se de uma estante, devem ser considerados outros parâmetros que podem modificar o espectro de desenho, tais como:

  • Intensidade do abalo sísmico.
  • Número de níveis.
  • Massa total.
  • Flexibilidade da estrutura.
  • Força horizontal máxima que pode ser transmitida entre a carga e as estantes.
  • Redução da ação sísmica baseada nos ensaios de mesas vibratórias.

A partir deste cálculo modal, é possível conhecer as ações sísmicas individuais ocorridas em cada sentido. Em função disso são combinados os efeitos em ambos os sentidos para obter os valores de desenho das ações sísmicas.

Depois de obter os valores de desenho das ações sísmicas, devem ser aplicadas as regras de combinação que consistem em combinar os valores relativos ao abalo sísmico horizontal e vertical, assim como o peso da estante e das unidades de carga. A partir desse cálculo se obtém os esforços (as forças que devem suportar os componentes das estantes) e verifica-se se estes são capazes de resisti-los. Posteriormente, verifica-se se as unidades de carga não vão virar nem deslizar.

O MRSA é o método recomendado no cálculo das ações sísmicas, visto que os espectros sísmicos são facilmente generalizáveis e padronizáveis. Os espectros representam a sismografia de um determinado lugar, o que evita fazer múltiplas combinações a partir de cálculos evolutivos sobre diversos acelerogramas de cálculo e, consequentemente, reduzir o tempo de cálculo proporcionando resultados seguros.

Com os abalos sísmicos de menor intensidade pode ser utilizado o LFMA, que consiste em simular o abalo sísmico através de um conjunto de forças horizontais equivalentes.
 

A Mecalux diante do abalo sísmico

A Mecalux conta com os conhecimentos necessários, além de uma vasta experiência em regiões que têm uma elevada sismicidade. Nesse sentido, destacam-se suas instalações sismorresistentes localizadas na Turquia, Itália e Chile. No entanto, o país sul-americano é o mais proclive do mundo a sofrer terremotos devido à sua localização no Círculo de Fogo do Pacífico, sendo considerado um laboratório natural para a pesquisa científica relacionada com este fenômeno.

Em seu departamento de engenharia a empresa possui uma equipe especializada no desenho de estantes capazes de suportar as ações sísmicas. Para tal finalidade utiliza materiais da melhor qualidade, situando-se na vanguarda das últimas inovações tecnológicas e aplicando programas de cálculo estrutural baseados na simulação.

A metodologia da Mecalux consiste em gerar um modelo tridimensional da estrutura utilizando programas de elementos finitos. Nele é introduzido um conjunto de dados como os tipos de materiais, as dimensões dos perfis, o espectro de desenho, as características das unidades de carga, etc.

Da mesma forma, a simulação estrutural é de vital importância para verificar a resistência das estantes em relação aos abalos sísmicos


A Mecalux é o fabricante de soluções de armazenamento líder em âmbito internacional, que se destaca pelos seus padrões de qualidade e segurança. Dedica-se a desenvolver estantes sismorresistentes, com o objetivo de assegurar a integridade das estruturas, dos produtos armazenados e, acima de tudo, a vida das pessoas.