Efeitos de sítio

Os danos provocados por um sismo dependem, essencialmente, de três fatores: (i) do mecanismo na fonte; (ii) da propagação das ondas; (iii) dos efeitos de sítio (Figura 1.2) que são função das propriedades geológicas e geotécnicas locais; (iv) resistência das estruturas (Panzera et al. 2013). Na Figura 1.2 apresentam-se dois acelerogramas registados durante um mesmo sismo, um registado em rocha e outro sobre formações superficiais (aterros e aluviões). O segundo apresenta maiores amplitudes e duração e, devido à interação solo-estrutura, caso as frequências naturais do solo e dos edifícios sejam semelhantes, podem verificar-se fenómenos de ressonância e a amplitude da vibração das estruturas pode aumentar significativamente (Keçeli & Cevher 2015). Esta sobreposição de frequências pode ser responsável pela concentração de danos em áreas específicas (Chávez- Garcia & Bard 1994, Mirzaoglu & Dýkmen 2003), que podem apresentar incrementos até 2 graus nas intensidades medidas na Escala de Mercalli Modificada (MM) (Lacave et al. 1999). Estes efeitos foram observados nos sismos do México (1985), Loma Prieta (1989), Kobe (1995), Columbia e Turquia (1999) (Lacave et al. 1999, Mirzaoglu & Dýkmen 2003).

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Figura 1.2 - Fatores que influenciam os danos provocados por um sismo nas estruturas. A – acelerograma registado em rocha, B – acelerograma registado sobre formações superficiais.

As propriedades geológicas e geotécnicas que podem induzir modificações no sinal sísmico são função: (i) da espessura e das propriedades das formações superficiais (Kramer 1996, Bakavoli et al. 2012); (ii) da profundidade a que se localiza o substrato e o nível freático; (iii) do contraste de impedâncias entre as formações superficiais e o substrato, que pode ter como consequência o aprisionamento das ondas sísmicas entre estas duas superfícies, originado o aumento de energia sísmica; (iv) dos efeitos da topografia local (Lacave et al. 1999, Zaharia et al. 2008, Mohamed & Fat- Helbary 2012, Gupta & Zafar 2016). A estratificação, a presença de rochas fraturadas, a alteração do maciço perto da superfície e a existência de falhas, podem também contribuir para a amplificação das ondas sísmicas (Bakavoli et al. 2012, Panzera et al. 2013).

No dia 19 de setembro de 1985 a cidade do México foi atingida por um sismo que teve o seu epicentro a 400 km da cidade e uma magnitude de 8,1 (MW). Apesar da distância epicentral ser elevada, o sismo provocou mais de 4000 vítimas e o colapso de 330 edifícios. Os danos infligidos por este sismo foram muito seletivos, os edifícios com 7 a 18 pisos foram os mais atingidos e a região da cidade mais devastada localizou-se num antigo lago constituído por espessas camadas de argilas moles e de siltes (Stone et al. 1987). Nesta área o período natural de vibração dos solos situou-se entre 1,9 e 2,8 s, valores que se aproximaram da frequência natural dos edifícios. Esta sobreposição de frequências poderá ter originado fenómenos de ressonância e contribuído para o colapso de edifícios.

Na Figura 1.3 apresentam-se as acelerações registadas por duas estações situadas na cidade do México durante o sismo de 1985 (Stone et al. 1987). O registo da estação UNAM realizou-se numa unidade basáltica e o da estação SCT em sedimentos pouco consolidados e, apesar da distância entre as duas estações ser de apenas quatro quilómetros, os acelerogramas apresentaram diferentes características. As acelerações registadas nas formações sedimentares exibem maiores amplitudes, menores frequências e uma maior duração.

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Figura 1.3 – Acelerogramas do sismo do México (1985). UNAM –

estação localizada em rocha, SCT – estação localizada em

sedimentos moles (modificado de Stone et al. 1987).

Muitas zonas urbanas com elevadas concentrações demográficas ocupam áreas constituídas por depósitos recentes e de baixa resistência, como as cidades de Los Angeles, S. Francisco, Lisboa e algumas zonas da sua Área Metropolitana. A caraterização geotécnica das formações superficiais da região de Lisboa, Vale do Tejo e Algarve e a determinação das frequências naturais dos solos e respetivas amplificações, são fundamentais para se estudarem e implementarem políticas de prevenção e de mitigação com vista à redução do risco da ocorrência de catástrofes (Navarro et al. 2008). Nesse sentido, em Portugal têm vindo a ser efetuados vários estudos de avaliação de efeitos de sítio na região de Lisboa, no Algarve e nos Açores (e.g. Teves-Costa et al. 1996, 2001a, 2007, 2014, Silvestre et al. 2006, Queiroz et al. 2007).

No estudo dos efeitos de sítio os métodos utilizados podem ser experimentais ou numéricos (Lacave et al. 1999).

Os métodos experimentais compreendem as seguintes técnicas: (i) cálculo da razão (S/R) entre os registos obtidos num maciço rochoso (R) e em formações superficiais (S) (Standard Spectral Ratio); (ii) método de Nakamura (1989), designado de um modo abreviado por razão H/V, que se baseia no cálculo da razão dos espectros Fourier das componentes horizontais (H) e da vertical (V); (iii) razão do espectro (H/V) calculada com base nas componentes horizontais e vertical de registos sísmicos. Na técnica de Nakamura (1989) registam-se as vibrações ambientais num único ponto segundo três componentes (Norte-Sul, Este-Oeste e vertical) e na técnica Standard Spectral Ratio efetuam-se dois registos, um em rocha (R) e outro nas formações superficiais (S) (Figura 1.4). A diferença de execução torna a técnica H/V de Nakamura (1989) mais versátil e rápida pelo que será utilizada neste estudo.

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Figura 1.4 – Duas técnicas utilizadas para avaliação da resposta de sítio (de Ibs-von Seht & Wohlenberg 1999).

Para se utilizarem os métodos numéricos nos estudos de efeitos de sítio, é necessário caracterizar os terrenos relativamente a algumas propriedades geotécnicas (e.g. espessura de cada uma das unidades consideradas, velocidade das ondas S em cada uma delas, pesos volúmicos).

Estes métodos podem utilizar diferentes técnicas: (i) resposta unidimensional de uma coluna de solo, que pode ser calculada com a aplicação SHAKE2000 (Ordónez 2003) desde que sejam conhecidas as velocidades das ondas S, as densidades, a espessura, e as curvas de amortecimento e de rigidez para cada uma das unidades existentes no local de estudo. Esta aplicação utiliza o método linear equivalente; (ii) métodos avançados, que podem utilizar vários tipos de ondas incidentes, geometrias 3D dos locais analisados e diversos comportamentos dos materiais presentes; (iii) métodos empíricos e semiempíricos que utilizam leis empíricas de atenuação e funções empíricas de Green.