ASPECTOS SISMOLÓGICOS NO PROJETO DE USINAS NUCLEARES TIPO ÊWR
Alexandre Alberto dos Anjos
Dissertação apresentada ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares como parte dos requisitos para obtenção do Grau de "Mestre na Área de Reatores Nucleares de Potência e Tecnologia do Òombustfvel Nuclear".
Orientador: Dr. Roberto Yoshiyuti Hukai
São Paulo 1980
f N D I C E
Pag.
1. INTRODUÇÃO 1 1.1. Hxstorico , 2
1.2. Sismologia no Brasil 3 1.3. Objetivos da Dissertação. 4
2. CONCEITOS BÁSICOS DE SISMOLOGIA 6
2.1. Introdução 6 2.2. Características de um Sismo 6
2.2.1. Epicentro e Foco de um Sismo 6
2.2.2. Magnitude 7 2.2.3. Intensidade 9 2.2.4. Parâmetros de Movimentos 12
2.2.4.1. Aceleração, Velocidade ou Deslocamentos Máximos... 12 2.2.4.2. Espectros de Resposta e Intensidade Espectral 13 2.2.4.3. Raiz Quadrada Media de Aceleração (rms) 16
2.2.4.4. Duração dos Abalos 17 2.3. Fatores Tectónicos e Geológicos que Afetam o Movimento
Sísmico do Terreno.. j 18 2.3.1. Mecanismo Focal 20 .2.3.2. Trajetória desde o Foco ate o Local de Observação... 26
2.3.3. Condições do Sitio 27 2.4. Os Dados Básicos sobre Movimentos Sísmicos 29
2.4.1. Registros Sísmicos Conhecidos " 29
2.4.2. Registros de Sismos Simulados 30
2.4.3.1. Movimentos Máximos de Superfície 34 2.4.3.1.1. Correlações entre Resposta do Terreno e Intensidade 34
2.4.3.1.2. Correlações «ntre Resposta de Terreno, Magnitude e
Distância 36 2.4.3.2. Duração dos Abalos 43
3. ANÁLISE ESTRUTURAL DINÂMICA 48 3.1. Resposta de um Sistema de um Grau de Liberdade 48
3.2. Resposta de um Sistema de vários Graus de Liberdade 52
3.3. Interação Solo-Estrutura 62 3.4. Geração do Espectro de Resposta da Estrutura 69
4. CONSIDERAÇÕES SOBRE 0 PROJETO ESTRUTURAL 79 4.1. Características Estruturais que contribuem para resistên-
cia sísmica 79 4.1.1. Sistema de Suporte 79
4.1.2. Massa Pequena 79 4.1.3. Ductilidade 80 4.1.4. Métodos Adequados de Construção 89
4.1.5. Fundações Adequadas 80
4.1.6. Amortecimento 80 4.1.7. Simetria Estrutural 81
4.1.8. Separação de Estruturas Adjacentes 81 4.1.9. Detalhes que permitem Movimento Estrutural sem causar
danos a elementos não-estruturais 82
Pag.
4.2. Características Estruturais que contribuem para Danos
Sísmicos 82 4. 3. Método Estático de Projeto 82
4.3.1. Forças Laterais^a Estrutura Principal 82 4.3.2. Forças Laterais em Partes da Estrutura 83
c
4.3.3. Tensões Admissíveis.... 84 4.3.4. Métodos Gerais de Projeto de Elementos Estruturais. 84
4.4. Projeto de Fundações 85 4.4.1. Sobre pressão do Solo 85 4.4.2. Assentamento e Arranjo Diferencial 85
4.5. Movimento Relativo entre Estruturas e Partes de Estru
turas 85 4.5.1. Juntas de Separação 86
4.5.2. Juntas Flexíveis 87 4.6. Efeitos das Propriedades dos Materiais 87
4.6.1. Ductilidade., 87 4.6.2. Amortecimento. 88 4.6.3. Rigidez Relativa 88 4. 7. Detalhes Específicos de Projeto 89
4.7.1. Detalhes de Estruturas de Aço 89
4.7.2. Detalhes do Concreto 92
4.7.3. Fundações 94 4.7.4. Separação Estrutural. 94
5. CARACTERÍSTICAS SISMO-RESISTENTES DAS USINAS PWR 96 5.1. Considerações Gerais sobre Segurança Nuclear. 96
5 . 2 . 1 . Fenômenos Sísmicos como causa de falhas em reatores. 98 5 . 2 . 2 . Fontes de Energia e Mecanismos de Liberação 10 3
5.3. Danos Potenciais'em um PWR 109 5 . 3 . 1 . Areas g e r a i s dos sistemas do r e a t o r 109
5 . 3 . 2 . Danos mecânicos diretos 110
5.3.3. Danos n u c l e a r e s . . 111 5.3.4. Danos indiretos 111 5.3.5. Interação entre as componentes maiores 112
5.4. Sistemas de Proteção.. 115
5 . 4 . 1 . Introdução 115 5 . 4 . 2 . Controle do r e a t o r . . 115
5 . 4 . 2 . 1 . Mecanismos inerentes 115 5 . 4 . 2 . 2 . Me canis mos criados 117 5 . 4 . 3 . Sensibilidade sísmica dos t i p o s de barras de controle 118
5 . 4 . 3 . 1 . Barras de queda l i v r e 118 5 . 4 . 3 . 2 . Barras com amortecimento por fricção 119
5 . 4 . 3 . 3 . Barras d i r i g i d a s mecanicamente 120 5 . 4 . 3 . 4 . Chicoteamento de barras de controle durante um s i s
no 121 5.4.4. Instrumentação de Controle do Reator 123
5 . 4 . 4 . 1 . Partida 123 5 . 4 . 4 . 2 . Faixa intermediaria de potencia 12 3
5 . 4 . 4 . 3 . Potência plena 124 5 . 4 . 4 . 4 . Sensibilidade sísmica 124
5 . 4 . 5 . SismSrretros 125 5.4.6. Instrumentação sísmica recomendável 128
Pag.
6. CONSIDERAÇÕES SISMO-GEOLÕGICAS SOBRE A REGIÃO DE ANGRA
DOS REIS 130 6.1 Sismicidade do Brasil 130
6.1.1. Introdução.... * 130 6.1.2. Evolução Geológica do Brasil 131
6.1.3. Mapa Sismotectônico e Regiões Sismotectônicas 134
6.2. Geologia Regional 145 6.2.1. Organização Estrutural 145
6.2.2. Província Tocantins 148 6.2.3. Sub-Provincia Rio Doce 150 6.2.4. Sub-Província Serra do Mar 152 6.2.5. Falhamentos Regionais 153 6.2.6. Geologia da Praia de Itaorna 159
6.3. Sismicidade Histórica 161
7. ANÁLISE DOS CRITÉRIOS SÍSMICOS ADOTADOS NO PROJETO DA
CENTRAL NUCLEAR ALMIRANTE ÁLVARO ALBERTO 170
7.1. Geologia e Tectónica 170
7.2. Sismicidade... 171 7.3. Estruturas 174 7.4. Problemas com Analise Sísmica e Estaqueamento de An -
gra II 175
8. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 177 APÊNDICE - A .• 181
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 200
I I N S T I T U I O CE PESOU S * S E M F R & É T I O S E N U C L E A R E S
FIG.2.1 - Mapa de I s o s s i s t a s do terremoto de Parkfield, 27 de junho de 1966
FIG.2.2 - Construção do espectro de resposta
FIG.2.3 - Resposta e s p e c t r a l para o acelerograma de El Centro (1940), para a componente norte-sul
FIG.2.4 - C a r a c t e r í s t i c a s dos abalos sísmicos de Parkfield (1966) e El Centro (1940)
FIG.2.5 - Relação entre a geologia l o c a l e a intensidade dos abalos sísmicos durante o terremoto de 1906 em São Francisco
FIG.2.6 - Relação entre o mecanismo focal e acelerogramas de El Centro, no terremoto de Imperial Valley (1940) FIG.2.7 - Geração e transmissão de ondas sísmicas
FIG.2.8 - Tipos de falhas
FIG.2.9 - Registros de sismos simulados
FIG.2.10 - Correlações entre aceleração horizontal e i n t e n s i - dade MM
FIG.2.11 - Correlações Medias entre resposta do terreno e in- tensidade MM
FIG.2.12 - Correlação entre a aceleração horizontal máxima, a magnitude e a d i s t â n c i a
FIG.2.13 - Comparação de d i s t i n t a s correlações entre a acelera ção horizontal máxima e a d i s t a n c i a , para sismos com magnitude 6,5-6,6
FIG.2.14 - Correlação entre acelerações horizontais máximas , magnitude e d i s t a n c i a
FIG.2.15 - Dependência da aceleração com -i frequincia,para a região central dos E.U.A.
FIG.2.16 - Correlação entre a velocidade máxima horizontal , magnitude e d i s t a n c i a
HG.2.17 - Duração da aceleração horizontal em função da magnitude e d i s t a n c i a
FIG.2.18 - Correlações medias entre duração e intensidades l o c a i s
FIG.3.1 - Sistema de um grau de liberdade
FIG.3.2 - Acelerogramas dos terremotos de Koyna (11/12/67) e El Centro (18/05/40)
F I G . 3 . 3 - Espectros de deslocamento dos terremotos de Koyna (componente longitudinal) e El Centro (componente norte-sul)
HG. 3.14 - Espectros de r e s p o s t a do terremoto de El Gentio (1940)
FIG.3.5 - Estrutura de um reator nuclear, o modelo e s t r u t u - r a l para a n a l i s e dinâmica, e os casos de s o l i c i t a - ção dinâmica normalmente considerados
FIG.3.6 - Modelo e s t r u t u r a l de um reator nuclear
FIG.3.7 - Diagramas de deslocamentos, a c e l e r a ç õ e s , momentos f l e t o r c s e esforços cortantes oLLidos pelo método da superposição e s p e c t r a l
HG. 3.8 - Modelo e s t r u t u r a l para a n a l i s e de um reator em que a interação s o l o - e s t r u t u r a e representada por parâ- metros constantes
mentos finitos 66 FIG.3.10 - Prédio de concreto armado com fundações sobre es-
tacas 68 FIG.3.11 - Modelo estrutural (analise sísmica de um predio
de. controle com fundações sobre estacas) 68 FIG.3.12 - Gráficos das acelerações máximas nos diversos an-
dares do predio obtidas pelo método da superposi-
ção espectral e pelo histórico da resposta 70
FIG.3.13 - Gráficos do histórico da resposta 71
FIG.3.14 - Método de Biggs (esquema) 73 FIG.3.15 - Método Histérico da Resposta (esquema) 75
FIG.3.16 - Corte de um edifício de reator PWR e o respectivo
modelo estrutural adotado 76 FIG.3.17 - Espectro de resposta da estrutura relativo â ace-
leração horizontal do ponto 3 do modelo adotado 77
FIG.3.18 - Métodos Probabilísticos (esquema) 78
FIG.4.1 - Vigas de aço não-rígidas 91 FIG.4.2 - Sistema de suporte para um vaso cilíndrico 91
FIG.4.3 - Sistema de suporte de um vaso cilíndrico vertical 91
FIG.5.1 - Barra de Controle (esquema) 127
FIG.5.2 - Sismoscopio 127 FIG.6.1 - Unidades geotectónicas do ciclo brasiliano 133
FIG.6.2a - Mapa Sismotectonico do Brasil e regiões correla-
cionadas 135 FIG.6.2b - Sismos no Brasil, registrados entre 1560 e 1977 136
Pag.
F I G . 6 . 3 - D i s t r i b u i ç ã o r e g i o n a l e c r o n o l ó g i c a dos tremores
s í s m i c o s r e g i s t r a d o s no B r a s i l e n t a e 1800 e 1977 137 F I G . 6 . 4 - A zona m a r g i n a l s u l do Craton Sao F r a n c i s c o 147 F I G . 6 . 5 - Mapa Geologico-uCompilado da Borda S u l do Craton
São F r a n c i s c o 149 F I G . 6 . 6 - P r i n c i p a i s f e i ç õ e s e s t r u t u r a i s do l e s t e p a u l i s t a
e o e s t e fluminense 155 F I G . 6 . 7 - Grandes f a l h a s e compartimentação t e c t ô n i c a do
l e s t e p a u l i s t a 156 F I G . 6 . 8 - F a l h a da B a c i a e F a l h a de São Tomé 158
F I G . 6 . 9 - Sismos r e g i s t r a d o s num r a i o de 322 km da C.N.A.A.A. 163 F I G . 6 . 1 0 - Área a f e t a d a p e l o sismo de 31 de j u l h o de 1 8 6 1 164 F I G . 6 . 1 1 - Área a f e t a d a p e l o Sismo de 9 de maio de 1886 165 F I G . 6 . 1 2 - Ãrea a f e t a d a p e l o sismo de 16 de j a n e i r o de 1962 167 F I G . 6 . 1 3 - Ãrea a f e t a d a p e l o sismo de 22 de março de 1967 168
F I G . 7 . 1 - Grandes Falhamentos x Sismos 173
Foi f e i t a una s í n t e s e da l i t e r a t u r a c i e n t í f i c a seguida de una a n a l i s e c r í t i c a - dos aspectos sismológicos r e l a c i o nados com o projeto de usinas nucleares t i p o PWR.
Procurou-se reunir nesta dissertação os aspee- tos sismológicos de um lado, e de engenharia e s t r u t u r a l , c i v i l e mecânica, de usinas nucleares de outro, enfatizando-se as carac- t e r í s t i c a s sismo-resistentes das usinas PWR.
Foram tecidas considerações sobre a sismicida- de do terreno b r a s i l e i r o , particularizando a região c o s t e i r a su- d e s t e , onde se encontra l o c a l i z a d a a primeira c e n t r a l nuclear bra s i l e i r a em Angra dos Reis.
Finalizou-se o trabalho com conclusões e r e c o - mendações ño t r a t o dos problemas de projeto sísmico de usinas nucleares.
S E R O L O G I C A L A S P E C T S OF D E S I G N I N G PWR T Y P E N U C L E A R POWER P L A N T S
A B S T R A C T
v A synthesis of the scientific literature concerning the seismological aspects of designing PWR type nuclear power plants was done followed by its analysis.
Seismological aspects and its related ci
vil-structural and mechanical engineering factors were con
sidered giving emphasis on the seismo-recistant characteris
tics of PWR plants.
Considerations were given t o th3 seij,mi- city of the Brazilian terrain, particularly to its 'Jo u the as t coastal region where the first nuclear power plant:.: are lo
cated.
Conclusions and recomendations are made for treating seismic design problems in nuclear projects.
1 . I N T R O D U Ç Ã O
As u s i n a s n u c l e a r e s a p r e s e n t a m p r o b l e m a s e s p e c i a i s de s e - g u r a n ç a i r r e l e v a n t e s p a r a a m a i o r i a das o u t r a s e s t r u t u r a s de enge n h a r i a civil e m e c â n i c a . N u m a u s i n a n u c l e a r , os d a n o s causados por um sismo p o d e m , p o t e n c i a l m e n t e , o c a s i o n a r o v a z a m e n t o de r a - d i o a t i v i d a d e p a r a a a t m o s f e r a e x t e r n a . Este efeito p o t e n c i a l r e - quer que o p r o j e t o de u m a u s i n a n u c l e a r s e j a c u i d a d o s a m e n t e elabo rado e a v a l i a d o , e que c r i t é r i o s de p r o j e t o m a i s r í g i d o s que os das u s i n a s c o n v e n c i o n a i s sejam a d o t a d o s .
Os e f e i t o s p o t e n c i a i s de s i s m o s na i n t e g r i d a d e e operação s e g u r a de uma u s i n a , são n u m e r o s o s . P r i m e i r a m e n t e , os m o v i m e n t o s v i b r a t ó r i o s i n d u z i d o s por s i s m o s a p l i c a m cargas d i n â m i c a s à estru tura da u s i n a , ao e q u i p a m e n t o e à t u b u l a ç ã o , que são as m a i o r e s que p o d e m ser a p l i c a d a s por c a u s a s n a t u r a i s . Além do m a i s , a v i - bração do terreno p o d e causar q u e d a de e n c o s t a s , s u b s i d ê n c i a , ou l i q u e f a ç a o da m a s s a de solo no local onde e s t á i n s t a l a d a a u s i n a .
O u t r o s f a t o r e s r e l a c i o n a d o s com s i s m o s que p r e c i s a m ser c o n s i d e - rados no projeto, de uma u s i n a n u c l e a r são os e f e i t o s de f a l h a m e n - tos s u p e r f i c i a i s e a o c o r r ê n c i a p o t e n c i a l de ondas de á g u a e inun d a ç õ e s i n d u z i d a s por s i s m o s .
A m a i o r i a dos s i s m o s é de origem t e c t o n i c a , d e c o r r e n t e de m o v i m e n t o s de f a l h a s . Seus p o n t o s de o r i g e m estão l o c a l i z a d o s a-
baixo da s u p e r f í c i e t e r r e s t r e , em p r o f u n d i d a d e s que vão até cerca de 700 k m . Um dos p o n t o s que se deve ter em m e n t e é que cerca de 5% de t o d o s os s i s m o s o b s e r v a d o s o c o r r e m em r e g i õ e s com p e q u e n a ou m e s m o n e n h u m a a t i v i d a d e s í s m i c a anterior r e g i s t r a d a / 1 / . Pode-se citar à g u i s a de e x e m p l o , o caso dos E.U.A., em que nos ú l t i m o s 250 anos pelo m e n o s três g r a n d e s t e r r e m o t o s tiveram e s t a c a r a c t e r í s t i c a : B o s t o n , M a s s a c h u s s e t s , em 1 7 5 5 ; Neuj M a d r i d ,
M i s s o u r i , em 1 8 1 2 ; e C h a r l e s t o n , South C a r o l i n a , em 1 8 7 6 . E s t e s
2
dois últimos terremotos foram de grande magnitude, tendo sido no tados numa área de vários milhões de quilômetros quadrados. A existência destes terremotos inesperados faz com que se insista na necessidade de incorporação de regulamentos sísmicos no proje to de qualquer usina nuclear.
1.1 - Histórico
Antes do começo deste sáculo não havia critérios de pro- jeto sísmico. Prédios em áreas sísmicamente ativas eram construí dos com espaço suficiente ou com materiais leves de maneira que a falha de uma estrutura não causasse falha das estruturas vizi- nhas e fossem mínimos os danos causados aos ocupantes do prédio.
Estas disposições construtivas são geralmente consideradas como a base da tradicional arquitetura leve, com prédios de um andar, no 3apão. Com o surgimento das áreas urbanas densamente povoadas nas sociedades industriais modernas, projetos sismo-resistentes tornaram-se necessários. 0 terremoto de Santa Barbara, Califór- nia, em 1925, conduziu à adoção de uma norma de projeto sismo-re sistente japonês foi desenvolvido em consequência do grande ter- remoto de Kanto, em 1923, que devastou Tóquio e Iocosma.
Desde o início, as normas americanas e japonesas foram baseadas em níveis de carregamento estático associados a porcen- tagens de g (aceleração da gravidade). Até 1964, o projeto sísmi co de usinas nucleares teve um tratamento semelhante ao das usi- nas convencionais. Em regiões de baixa sismicidade e em regiões de nenhuma atividade sísmica,, mas onde um projeto sísmico era re querido, os níveis de carregamento estático eram de ordem de
0,02 a 0,05g na estrutura e nos equipamentos. Estes baixos níveis de carregamento estático não tinham nenhuma consequência prática no projeto estrutural. Em regiões de alta sismicidade os equipa- mentos eram projetados para uma aceleração de 0,2g / 1 /,
O d e s e n v o l v i m e n t o das a t u a i s n o r m a s de p r o j e t o sísmico foi a c e l e r a d o a p a r t i r de 1 9 6 5 com o c r e s c i m e n t o da i n d u s t r i a de e n e r - g i a n u c l e a r . Este d e s e n v o l v i m e n t o foi muito e s t i m u l a d o pela a t i v a p a r t i c i p a ç ã o d a então U . S . A t o m i c Energy Commission ( U S A E C ) , hoje N u c l e a r R e g u l a t o r y Commission ( N R C ) , nos p r o c e d i m e n t o s p a r a o l i - c e n c i a m e n t o de u s i n a s n u c l e a r e s n o s E s t a d o s U n i d o s .
0 dado básico de e n t r a d a p a r a o p r o j e t o s í s m i c o de urna usi n a n u c l e a r é a m a i o r a c e l e r a ç ã o p r e v i s í v e l do t e r r e n o . P a r a a o b - tenção desse dado são n e c e s s á r i o s e s t u d o s b á s i c o s , g e o l ó g i c o s e s i s m o l ó g i c o s , p a r a a d e t e r m i n a ç ã o do risco sísmico e dos m o v i m e n t o s m á x i m o s no l o c a l o n d e s e r á i n s t a l a d a u m a u s i n a n u c l e a r .
1.2 - S i s m o l o g i a no Brasil
No que se r e f e r e ao B r a s i l , até r e c e n t e m e n t e , h a v i a p o u - cos i n s t r u m e n t o s s í s m i c o s em nosso p a í s . No e n t a n t o , a h i s t ó r i a dos s i s m o s no Brasil d a t a do ano de 1 5 6 0 . N o t í c i a s de s i s m o s a p a - recem em m u i t a s p u b l i c a ç õ e s h i s t ó r i c a s , porém não haviam sido com p i l a d a s ate 1 9 1 0 , quando o C e l . Alípio G a m a , e n g e n h e i r o m l i t a r ,
p r e p a r o u u m a l i s t a r e l a t i v a m e n t e c o m p l e t a . Em 1 9 1 2 , John C, B r a n n e r , um g e ó l o g o n o r t e - a m e r i c a n o da U n i v e r s i d a d e de S t a n f o r d , compilou d a d o s a d i c i o n a i s e p u b l i c o u u m a l i s t a m a i s c o m p l e t a . B r a n n e r , a t u a l i z o u sua l i s t a em 1 9 2 0 , m a s n e n h u m a relação c o m p l e t a tinha sido r e a l i z a d a até o t r a b a l h o de M a r c u s Gorini com o título de
" E a r t h q u a k e s in B r a x i l " , em 1 9 6 9 (não p u b l i c a d o ) .
V á r i o s t i p o s de s i s m ó g r a f o s tem o p e r a d o no Observatório Nacional do Rio de D a n e i r o , desde 1 9 0 6 . E n t r e t a n t o , estes i n s t r u - m e n t o s são de p e r í o d o l o n g o e estão i n s t a l a d o s p a r a detectar as o n d a s s u p e r f i c i a i s de t e r r e m o t o s d i s t a n t e s em vez de ondas de e v e n t o s l o c a i s com altas f r e q u ê n c i a s . Em 1 9 5 6 , o Observatório L a m o n t - D o h e r t y d a U n i v e r s i d a d e de C o l u m b i a , i n s t a l o u um conjunto de s i s m ó g r a f o s de p e r í o d o de 15 s e g u n d o s no O b s e r v a t ó r i o N a c i o n a l .
4
Estes instrumentos detectaram precariamente os sismos locais de 1962 e 1 9 6 7 , sendo que os primeiros sinais nao foram registrados nitidamente e, consequentemente, não foi possível determinar os epicentros.
A sismologia no Brasil avançou consideravelmente durantB os últimos anos da década de 1960 com a instalação de uma das es
taçoes sismográficas mais bem equipadas do mundo, nas proximida- des de Brasília, Esta estação sismográfica está constituída prin cipalmente pelo Sistema Sul-Americano tipo Arranjo que tem sido operado pela Universidade de Brasília desde sua instalação em
1966, com a participação de um certo número de outras organizações, como o Instituto da Ciências Geológicas da Grã-Bretanha. Este sis tema consiste de 21 detectores verticais de período curto instala- dos em duas linhas, cada uma com um comprimento aproximado de 50 km e formando um T ''assimétrico. A localização geológica e geográ- fica favorável no Planalto Central Brasileiro (baixo nível de ruído sísmico e cultural) permite a este sistema a possibilidade de operar com altas amplificações da ordem de milhões de vezes, o que certamente permite a detecção da maioria dos eventos sís- micos da América do Sul cuja magnitude esteja acima de 3,5 na e s -
cala de Richter, Além disso, o "United States Coast and Geodetic Survey" (agora"United States Geological Survey") instalou, em 1972, em Brasília uma estação do tipo WWSSN (Worldujide Standardized
Seismograph Wetuiork^ a qual consiste de dois conjuntos de sismó- grafos, um de período curto e outro de período longo, cada conjunto tendo um sismógrafo vertical e dois horizontais. Uma estação tipo WWSSN opera em Natal ( R H ) , desde 1 9 6 5 .
1,3 - Objetivos da Dissertação
0 presente trabalho consistiu na primeira dissertação de Mestrado a discorrer sobre os aspectos sísmicos no projeto de usinas nucleares no Instituto de Pesquisas Energéticas a Nucleares.
P r e t e n d e u - » s 8 , p o r t a n t o , t e r c o m o o b j e t i v o p r i n c i p a l , a c o m p i l a ç ã o de d a d o s e i n f o r m a ç õ e s e o c o n h e c i m e n t o p r e c í p u o d a f u n ç ã o d a s i s ; m i c i d a d a n o p r o c e s s o d e p r o j e t o d a u s i n a s n u c l e a r e s . A s s i m , p r o c u r o u ° S 9 r e u n i r n e s t a d i s s e r t a ç ã o o c o n h e c i m e n t o ' d o s a s p e c t o s s i s m o l ó g i c o s d e u m l a d o e d a e s t r u t u r a d e e n g e n h a r i a c i v i l e m e c â n i c a d a s u s i n a s n u c l e a r e s , de o u t r o . A* s o m a d e s s e s d o i s c o n j u n t o s d e c o n h e c i m e n t o r e s u l t o u n a t e r c e i r a c o m p o n e n t e d a d i s s e r t a ç ã o q u e é*
e r e s p o s t a p o t e n c i a l e r e a l d a s p a r t e s d a u s i n a a s v i b r a ç õ e s s í s - m i c o s . N a t u r a l m e n t e , o b j e t i v o u - s e f i x a r a s a t e n ç õ e s n o s p o t e n c i a i s a c i d e n t e s q u e o s m o v i m e n t o s s í s m i c o s p o d e r i a m c a u s a r . As c o n s i d e r a ç õ a s s o b r e r e s p o s t a s s i s m o - r e s i s t e n t e s f o r a m r e s t r i t a s a o1 c a s o d e r e a t o r e s t i p o P W R ( P r e s s u r i z e d W a t e r R e a c t o r ) , o b v i a m e n t e , d a d o o f a t o q u e e s s e a o t i p o d e r e a t o r a d o t a d o n o P r o g r a m a N u c l e a r B r a - s i l e i r o .
F o r a m t e c i d a s c o n s i d e r a ç õ e s s o b r e a s i s m i c i d a d e d o t e r r e n o b r a s i l e i r o , e m t e r m o s g e n é r i c o s , , c p a r t i c u l a r m e n t e s o b r e a s i s m i c i d a d a n a r e g i ã o c o s t e i r a p r ó x i m a n o e i x o R i o - S a o P a u l o , o n d e se e n - c o n t r e l o c a l i z a d a a p r i m e i r a c e n t r p l n u c l e a r b r a s i l e i r a e m A n g r a d o s R e i s . F i n a l i z o u ^ s e a d i s s e r t a ç ã o p e l a s c o n c l u s õ e s o r e c o m e n d a - * ç õ o s n o t r a t o d o s p r o b l e m a s de p r o j e t o s í s m i c o q u e , a p e s a r d e s e r m e n o s p e n o s o n o c e s o b r a s i l e i r o em c o m p a r a ç ã o c o m o s p a í s e s q u e p o s s u e m m o v i m e n t o s s í s m i c o s i n t e n s o s c o m o o 3 a p ã o , E . U . A e I t á l i a , n a o d e i x a de a p r e s e n t a r - s e c o m o i m p o r t a n t e p a r a 3 s e g u r a o p e r a ç ã o d o s c e n t r a i s n u c l e a r e s b r a s i l e i r a s . P o i s , a p e s a r d e m e n o r , o i m - p o r t a n t e a a s s i n a l a r q u e a s i s m i c i d a d e n o t e r r i t ó r i o b r a s i l e i r o e x i s t a e m e s c a l a a p r e c i á v e l e i n t e n s i d a d e n a o d e s p r e z í v e l .
6
2 . C O N C E I T O S B Á S I C O S DE S I S M O L O G I A
2 . 1 - I n t r o d u ç ã o -*»
A n t e c e d e n d o as d i s c u s s õ e s s o b r e a i n t e r a ç ã o e n t r e m o v i - m e n t o s s í s m i c o s e a d i n â m i c a e s t r u t u r a l das u s i n a s n u c l e a r e s ,
;;orna-se n e c e s s á r i o o c o n h e c i m e n t o de e l e m e n t o s de s i s m o l o g i a p a r a o d e s e n v o l v i m e n t o da n o s s a e x p o s i ç ã o . N e s t e C a p í t u l o a p r e s e n t a m o s os c o n c e i t o s b á s i c o s de s i s m o l o g i a .
E t i m o l o g i c a m e n t e , s i s m o l o g i a e a c i ê n c i a d o s t e r r e m o t o s ou s i s m o s (do g r e g o s e i s m o s + l o g o s ) . A c i ê n c i a s i s m o l ó g i c a m o d e r na i n t e r e s s a , a l e m do e s t u d o d o s s i s m o s , o e s t u d o da c o n s t i t u i - ção i n t e r n a do n o s s o p l a n e t a , cios e f e i t o s dos s i s m o s e da p r e - v e n ç ã o e p r e d i ç ã o s í s m i c a .
Para o e s t u d o dos s i s m o s , l u c c l i z a n d o - o s no t e m p o e no
• S , ,-w
e s p a ç o , s a o n e c e s s á r i o s v á r i o s p a r â m e t r o s que s a o d e s c r i t o s a s e g u i r .
? . 2 ~ C a r a c t e r í s t i c a s de' urn S i s m o
" .7. 1 - E p i c e n t r o e F o c o de um S i s m o
E n t e n d e - s e por s i s m o a l i b e r a ç ã o i n s t a n t â n e a do e n e r g i a
s
t.lüstica a c u m u l a d a no i n t e r i o r da T e r r a , q u a n d o os e s f o r ç o s ar m a z e n a d o s l e n t a m e n t e , d e v i d o a p r o c e s s o s t e c t ó n i c o s p r i n c i p a l - m e n t e , s o b r e p a s s a m a r e s i s t ê n c i a d o s m a t e r i a i s c o m p r o m e t i d o s . E s t e s f e n ô m e n o s sao a c o m p a n h a d o s de f r a t u r a s ou f a l h a s c u j a s L 1 " o e s d e p e n d e m da q u a n t i d a d e do e n e r g i a l i b e r a d a , e sua ma
'ação na s u p e r f í c i e , alem da p r o f u n d i d a d e o n d e se i n i c i a u f enooiono s i s m i c o .
D f o c o o u h i p o c e n t r o do u m s i s m o , n o p i n t o no i n t e r i o r J.' T o r r a o rido o c o r r e a r u p t u r a i n i c i a 1 ria ;. u c h a o o n d e se i n i - c i a a l i b e r a ç ã o do o n d a s e l á s t i c a s . 11,710 p o r t o d o s s i s m o s r e g i s t r a d o s se o r i g i n a em p e q u e n a p r o f u n d i d a d e ( e n t r o O e 15 k m ) ern r e g i õ e s c o m g r a n d e s s i n a i s de f a l h i m o n l o . E.m o u t r a s r e g i õ e s os f o c o s s a o rfiais p r o f u n d o s , n a o se o b s e r v a n d o r u p t u r a s s u p e r f i c i a i o . A s m a i o r e s p r o f u n d i d a d e s do f o c o s d e s i s m o s e s t ã o n a f a i x a de 5 0 0 a 7 0 0 k m a b a i x o d a s u p e r f í c i e t e r r e s t r e /Z,B> /.
0 e p i c e n t r o de um s i s m o é a p r o j e ç ã o v e r t i c a l do f o c o n a s u p e r f í c i e . N a a u s ê n c i a de d a d o s i n s t r u m e n t a i s , t e m - s e e s t o b e l e e i d o o e p i c e n t r o n a b a s e de e f e i t o s o b s e r v a d o s n a s u p e r f í c i e . A l o c a l i z a ç ã o de e p i c e n t r o s e e f e t u a d a u o a n J u - s e t e m p o s r e l a t i v o s do c h e g a d a d a s o n d a s s í s m i c a s a v á r i o s a p a r e l h o s n u m a r e d e s i s - m o g r a f i c a . N e m o p r o c e s s o de l o c a l i z a ç ã o do f o c o n e m o do e p i -•
ooriLro s o o m u i t o p r e c i s o s , d e v i d o a s J i m i t a ç õ e s de n u m e r o de e s c a ç o e s de r e g i s t r o , n a i n t e r p r e t a ç ã o t e c u o n i c a o g e o l ó g i c a de e s t r u t u r a s da c r o s t a e do m a n t o s u p e r i o r e n o c o n h e c i m e n t o de v e l o c i d a d e s l o c a i s de p r o p a g a ç ã o orn m u i t a s á r e a s .
t i m p o r t a n t e n o t a r q u e o f o c o o u h i p o c e n t r o n a o i n d i c a m , n e c e s s a r i a m e n t e , o c e n t r o de l i b e r a ç ã o d a e n e r g i a t o t a l de um s i s m o , m a s i n d i c a o p o n t o o n d e a r u p t u r a c o m e ç o . P a r a s i s m o s p e q u e n o s , o c e n t r o do l i b e r a ç ã o d e o n e r g i n e o p o n t o o n d e o r o j e i to c o m e ç a n a o s a o d i s t a n t e s u m d o o u t r o ; p a r a g r a n d e s s i s m o s , e s t e s p o n t o s p o d e m e s t a r a c e n t e n a s d c q u i l ô m e t r o s u m do u u t r o /'-//.
?.-?..2- M a g n i t u d e
A m a g n i t u d e de u m s i s m o o e n t e n d i d a c o m o u m a m e o i d a de s u a g r a n d e z a , i n d e p e n d e n t e m e n t e r;o l o c a i dê o b s e r v a ç ã o . £ c a l - c u l a d a a t r a v é s d e m e d i d a s e f e t u a d a s n o s s i s m o g r a m a s e e x p r e s s a em n ú m e r o s o r d i n á r i o s e d e c i m a i s , f i s i c a m e n t e , o m a g n i t u d e c o r i c .1 e i o n a - S G c o m a e n e r g i a l i b e r a d a p o r u m s i s m o , a s s i m c o m o cu- c o m p r i m e n t o da r u p t u r a da f a J h a e c o m u s e u d e s l o c a m e n t o mr.xjmo / 3 /•
8
A escala de m a g n i t u d e de Richter /5 / foi introduzida
i T i i 1935 a o um indico da q u a n t i d a d e do energia vibracional de
um s i s m o , Mj_ , m a g n i t u d e que foi o r i g i n a l m e n t e i n t r o d u z i d a
•ta
por R i c h t e r , e foi d e f i n i d a para ser usada em abalos locais na C a l i f ó r n i a . rA i_ foi d e f i n i d a corno o l o g a r i t m o da m á x i m a am plitude do "movimento do t e r r e n o , em m í c r o n s , r e g i s t r a d a num s i s m o g r a f o W o o d - A n d e r s o n com c o n s t a n t e s e s p e c i f i c a d a s ( p e n o - do livre = 0,8 s e g . , m a g n i f i c a ç a o m á x i m a = 2.800, fator de a m o r t e c i m e n t o = 0,8) quando o s i s m ó g r a f o estiver a uma distân cia de 100 km do e p i c e n t r o . Observações em outras distancias sao corrigidas para a d i s t â n c i a dada por meio de curvas e m p í - r i c a s .
Em 1 9 5 6 , Richter a m p l i o u seu trabalho com a definição da m a g n i t u d e de ondas de s u p e r f í c i e , dada por /^s / <o /. A es cala foi baseada em ondas s u p e r f i c i a i s com p e r í o d o s ao redor de 20 seg. Esta m a g n i t u d e e u t i l i z á v e l p a r a qualquer distân - cia e p i c e n t r a l s para qualquer tipo de s i s m ó g r a f o , sendo ho- je l a r g a m e n t e e m p r e g a d a .
Uma escala b a s e a d a nas ondas de v o l u m e , /A^ , também foi d e s e n v o l v i d a . Esta e s c a l a usa ondas de volume com p e r í o - dos ao redor do 1 s e g . , sendo também amplamente u t i l i z a d a .
As relações / 7 / entre m a g n i t u d e local , /vl^ , m a g n i - tude de ondas de s u p e r f í c i e , , e m a g n i t u d e de ondas de v o l u m e , AA ^ , sao dadas p o r :
/ \ b - i ,1 + o > M L - , A\h - O.^C /Ms> + 2/J A relação entre /M-, e expressa urn resultado inte- r e s s a n t e , ou s e j a , para sismos que ocorrem a uma profundidade normal as ondas sísmicas de s u p e r f í c i e tornam-se cada vez mais i m p o r t a n t e s em relação as de volume com o aumento da grandeza do ' i s m o . A e x p l i c a ç ã o física para este fato e que o m e c a n i s m o foral e m a i s extenso em espaço e tempo paro grandes sismos e tem uma maior i n f l u e n c i a na geração do ondas s u p e r f i c i a i s de período l o n g o .
2 . 2 . 3 - I n t e n s i d a d e
Na a u s e n c i a de i n s t r u m e n t o s que r 1fj i s t ro m a m o v i m e n t a -
( ...
c a o s í s m i c a , os a b a l o s sao m e d i ó o s a g a v e s de v a l o r e s s e c u n d o v a r i a s e s c a l a s s u b j e t i v a s de i n t e n s i d a d e . Aie o i n i c i o o e s t e s é c u l o , a e s c a l a de R o s s i - F o r e l , que canton, dez g r a u s de in - t e n s i d a d e , e r a a m a i s u t i l i z a d a . No e n t a n t o , corn os p o s t e r i o - res a v a n ç o s de t e c n o l o g i a , a e s c a l a do R o s s i - F o r e l t o r n o u - s e u l t r a p a s s a d a , p r i m e i r a m e n t e p o r q u e uno •„•; i o i ¡„u f a i x a de i n t e n - s i d a d e s e s t a v a c o l o c a d o no nível m á x i m o ;( .• L a n h e m por cer Las l i m i t a ç õ e s em s u a s d e s c r i ç õ e s . I'or t o t r i í ; x a. o e s , uma n o v o e s - c a l a foi d e s e n v o l v i d a por M e r c a l l i , em 1 ?n"'. ílri q i n a l m o n t e , e s t a e s c a l a p o s s u í a 1 0 d i v i s õ e s qu' pí:s«>c rcr. a 1 2 , seguinfJo uma s u g e s t ã o de C a n c a n i . A t u a l m e n t e , e m a i s u t i l i z a d a a e s c a l a m o d i f i c a d a de M e r c a l l i (ni-'1) tal c o m foi o f ' rjr nn tar'a por U o o ü e N e u m a n n , em 1 9 3 1 .
O u t r a s e s c a l a s de i n t e n s i d a d sao u t i l i z a d a s em u i f e r e n tes p a r t e s do m u n d o . Por e x e m p l o , a e s c la 1 !<S, d e s e n v o l v i J a per M e d v e d e v et a i . , en 1 9 6 4 / 3 / , é" a t u a l m e n t e u t i l i z a d a na t ' . R. S . S . e cm o ut. os p a í s e s ri...1 Furo; a l'".ii-n: al . A v e r s a o do C a n c a n i - S i e b e r g / 1 0 / de e s c a l a o r i g i n a i Fîercalli e l a r g a - m o n t o u t i l i z a d a na Cu r o p a O c i d e n t a l u a rc.ua I a da D c p a n f'.oteo-
r o l o g i c a l A q e n c y (3f1A), d e s e n v o l v i ri^. ->rr 1m . I , L o r n o u - s c a '¡sea la de s i s m i c i d a d e p a d r ã o no 3 a p a o / 'il/. Ter,as c o s a s e s c a l a s sao s u b j e t i v a s o e x c e t o fiara a psca' i a rJ-j 3i"!A, q u e p o s s u i -¡ote d i v i s õ e s , t o d a s o¡iresentam e s t r u t u ' s i m i l a r à e s c a l a Hf".
A p o c um s i s m o , a d e t e r m i n a ç ã o cio v a l o r da s u a i n t e n s i - d a d e em um d a d o l u c a l , b a s e i a - s n oír roiatof L Í O S h a b i t a n t e s c e s s e l o c a l e na o b s e r v a ç ã o d o s d a n o s c a u s a d o s . R a r a d e t e r m i - nar a i n t e n s i d a d e cie s i s m o s do p a s s a d e u t i l i z a - s o n o t í c i a s e r - l a t o s de j o r n a i s , l i v r e s , c r ó n i c a s hist n \ i c o s e o u t r o s ñ a -
L o r i á i s que riesen vam es-; es o v e n Le; . /¡s iri : :n ". i d a n o s d e f i n i d a s p a r a os d i f e r e n t e s l o c a i s sao p - u j o t a d a s <•;, um m a p a f o r m a n o o e u r' r s i s o s s i s t a s quo se [jaran r^gin. •.. i r suo- ? s i v a s taxas de i n t isidãde. E s t e s m a p a s , c h a ñ a d o s d o i s o s s i s t a s ou de i n t e n -
10
s i d a d e , r e f l e t e m a a t e n u a ç ã o com a d i s t a n c i a da f o n t e , dos d a - n o s , e a á r e a de i n f l u e n c i a em que se s e n t i u o s i s m o . A forma e e x t e n s ã o d a s i s o s s i s t a s p o d e m ser i n f l u e n c i a d a s por f e i ç õ e s t e c t ó n i c a s da a r e a , i n d i c a n d o d i r e ç õ e s p r e f e r e n c i a i s p a r a a t r a n s m i s s ã o de o n d a s s í s m i c a s e o m e c a n i s m o p e l o q u a l so o r i - g i n a o sisííio (Fig. IA /£>*//).
As e s c a l a s de i n t e n s i d a d e sao i m p o r t a n t e s n a s á r e a s em q u e n ã o há r e g i s t r o s de f o r t e s m o v i m e n t o s , p a r t i c u l a r m e n t e on_
de sao o ú n i c o m e i o p a r a a i n t e r p r e t a ç ã o de d a d o s h i s t ó r i c o s . A s s i m , i n t e r r e l a ç o e s e n t r e i n t e n s i d a d e FIM c m e d i d a s q u a n t i t a - t i v a s da s e v e r i d a d e de m o v i m e n t o s de t e r r e n o s , c o m o a c e l e r a - ç o e s m á x i m a s , sao f r e q u e n t e m e n t e u t i l i z a d a s p a r a fins de p r o - j e t o . No e n t a n t o , e s s a m a n e i r a de r e p r e s e n t a r o m o v i m e n t o do t e r r e n o u t i l i z a n d o i n t e n s i d a d e s , r e s u l t a C M um n ú m e r o i n d e s e - j a v e l de d e f i c i e n c i a s . P r i m e i r a m e n t e , a r e a ç ã o h u m a n a a um sis mo d e p e n d e de f a t o r e s como a e x p e r i e n c i a a n t e r i o r com a b a l o s s í s m i c o s , e o e q u i l í b r i o e m o c i o n a l dos o b s e r v a d o r e s , e s t e s f a - t o r e s , a s s i m c o m o c o n d i ç õ e s p r ó p r i a s do s u b s o l o q u e a f e t a m os p r ó p r i o s m o v i m e n t o s , c o n t r i b u e m p a r a a a t r i b u i ç ã o e r r ô n e a aos v a l o r e s da i n t e n s i d a d e . Em s e g u n d o l u g a r , d a n o s e s t r u t u r a i s não r e p r e s e n t a m uma b a s e u n i f o r m e p a r a a d e t e r m i n a ç ã o de inten s i d a d e s d e v i d o as d i f e r e n ç a s n a s p r a t i c a s do p r o j e t o e c o n s t r u ção p a r a v a r i a s r e g i õ e s ; por e x e m p l o , n e s p e c i a l m o n t e d i f í c i l a v a l i a r i n t e n s i d a d e s p a r a s i s m o s cm á r e a s e c o n o m i c a m e n t e sub - d e s e n v o l v i d a s , q u a n d o c o m p a r a d a s com as de s i s m o s em á r e a s d e - s e n v o l v i d a s . Para s i s m o s o c o r r i d o s em á r e a s e s p a r s a m e n t e h a b i - t a d a s tem s i d o a t r i b u í d a s i n t e n s i d a d e s b a s e a d a s p r i n c i p a l m e n t e em d e s l o c a m e n t o s p e r m a n e n t e s de t e r r e n o , ou q u e d o de e n c o s t a s q u e , p o r si m e s m a s sao m e d i d a s i n c e r t a s dos e f e i t o s das o n d a s s í s m i c a s . F i n a l m e n t e , d o v e - s e ter s e m p r e em m e n t e que a i n t e n - s i d a d e m á x i m a o b s e r v a d o nao o, n o c e s c a r i a m e n t o , i g u a l a i n t e n - s i d a d e m á x i m a q u e o s i s m o p o d e ter Lido no e p i c e n t r o , p r i n c i - p á l m e n t e , em c a s o s de s i s m o s p o u c o p r o f u n d o s que a p r e s e n t a m uma a t e n u a ç ã o m a i o r . Por e s t a s r a z o e s , c u i d a d o s e s p e c i a i s são r e q u e r i d o s q u a n d o se u t i l i z a i n t e n s i d a d e s p a r a e s t i m a r o m o v i - m e n t o de t e r r e n o em um l o c a l .
12
2 . 2 . 4 - P a r â m e t r o s de M o v i m e n t o s
A m e l h o r r e p r e s e n t a ç ã o de m o v i m e n t o s s í s m i c o s en um dado l o c a l , f o r n e c e n d o um r e g i s t r o c o m p l e t o , o o r e g i s t r o da a c e l e r a ç ã o . No en"tanto, p a r a c o m p a r a ç õ e s do d i f e r e n t e s r e g i s t r o s o p a - ra r e l a c i o n a r m o v i m e n t o s de t e r r e n o a d a n e s e s t r u t u r a i s p o t e n - c i a i s , f r e q ü e n t e m e n t e se u t i l i z a m p a r â m e t r o s s i m p l e s que defi - nem um d a d o r e g i s t r o . Os p a r â m e t r o s m a i s u t i l i z a d o s s a o : a c e l e - r a ç ã o , v e l o c i d a d e ou d e s l o c a m e n t o m á x i m o s , e s p e c t r o s de r e s p o s - ta e i n t e n s i d a d e de e s p e c t r o , raiz q u a d r a d a da a c e l e r a ç ã o e d u - r a ç ã o dos m o v i m e n t o s .
2 . 2 . 4 . 1 - A c e l e r a ç ã o , V e l o c i d a d e ou D e s l o c a m e n t o s M á x i m o s
A a c e l e r a ç ã o m á x i m a o, a t u a l m e n t e , a r e p r e s e n t a ç ã o do m o v i m e n t o de t e r r e n o m a i s l a r g a m e n t e e m p r e g a d a ; e a m a i o r i a dos d a d o s de n í v e i s de força d o s p o u c o s s i s m o s r e g i s t r a d o s em a c e l e r o g r a f o s e p r o p o r c i o n a d a em t e r m o s de a c e l e r a ç õ e s m a x i - m a s . No e n t a n t o , o uso d e s s e p a r â m e t r o p o r á r e p r e s e n t a i m o v i - m e n t o s s í s m i c o s tem um c e r t o n ú m e r o de l i m i t a ç õ e s . P r i m e i r a - m e n t e , a a c e l e r a ç ã o m á x i m a r e l a c i o n a - s e es I r e i t a m e n t e com as f o r ç a s m á x i m a s a p l i c a d a s a s i s t e m a s do a l t a f r e q ü ê n c i a , m a s , n ã o com s i s t e m a s r e p r e s e n t a d o s p e l a s e s t r u t u r a s m a i s t í p i c a s , cio freqüência b a i x a ou i n t e r m e d i á r i a . Além u i s s o , a a c l e r a ç ã o m á x i m a , s o z i n h a , nao f o r n e c e boas c o r r e l a ç õ e s e n t r e f o r ç a s r e l a t i v o s de r e g i s t r o s d i v e r s o s de s i s m o s f, t a m b é m , não f o r - n e c e d a d o s s o b r e a d u r a ç ã o e a faixa de f r e q ü ê n c i a do m o v i m e n to / 13 / .
0 m o v i m e n t o s í s m i c o de um t e r r e n o [iode ser r e p r e s e n t a rio p e l a v e l o c i d a d e ou d e s l o c a m e n t o „iáximos, corno se m- n c i o n o u a n t e s a m b o s p a r e c e m ter p o r é m um c o n t o r n o r u p e r i o r (upper b o u n d ) bem m a i s d e f i n i d o que as a c e l e r a ç õ e s . Além do m a i s , o
deslocamento e a v e l o c i d a d e m á x i m o s fornece.'! uma boa estimativa das forças l a t e r a i s efetivas exerci ei ..is por um sismo para ostru- turas de f r e q ü ê n c i a s baixas e i n t e r m e d i a r i a s . Dos d o i s , a velo- cidade m á x i m a é geralmente p r e f e r i d a , como pode ser observado em estudos sobre r e g i s t r o s de abalos sismicos e do origem nucle ar / 8 , ^ /„ No e n t a n t o , ambos os p a r â m e t r o s estão sujeitos o erros a d v i n d o s da i n t e g r a ç ã o numérico dos registros de a c e l e r a - ção e, como a a c e l e r a ç ã o m á x i m a , eles nao fornecem dados sobre duração ou faixa de frequência dos m o v i m e n t o s .
2 . 2 . 4 . 2 - E s p e c t r o s de Resposta e Intensidade Espectral
0 espectro de r e s p o s t a e largamente empregado na caracte rizaçao de m o v i m e n t o s s í s m i c o s . Um e.;poctro do resposta e a pro jeçao da r e s p o s t a m á x i m a de uma e s t r u t u r a a m o r t e c i d a em função de seu período n a t u r a l , ou f r e q u ê n c i a . Goialmonte se estabelece uma família de espectros de r e s p o s t a , cada espectro correepon - oendo a uma dada taxa de a m o r t e c i m e n t o . A construção de um es - pectro de resposta para um certo registro sísmico a ilustrado na Fig. 2.1 . Na F i g . 2 . 5 , aparecem representações tripartite e a r i t m é t i c a dos resultados e s p e c t r a i s . Alem rias representações da p s e u d o v e l o c i d a d e versus p e r í o d o , os espectros de resposta po riem ser r e p r e s e n t a d o s em termos de deslocamentos e s p e c t r a i s , a- celerações e s p e c t r a i s o f r e q ü ê n c i a s .
Os e s p e c t r o s do resposta sau u s n i J u : , um pro jatos sisriu-re sistentes porque revelam os efeitos dos m o v i m e n t o s do terreno no resposta de uma e s t r u t u r a . Alem cio m a i s , elos podem ser u s a -
dos para estimar picos de resposta de estruturas c o m p l e x a s , ape sar de que essa aplicação p a r t i c u l a r requer o uso de métodos de a p r o x i m a ç ã o para combinar respostas m o d a i s . Uma vantagem adicio nal e que os e s p e c t r o s de resposta fornecem os moios para repre sentar a faixa de frequências de m o v i m e n t o s de terreno.
P S t U S C J í L t t t c A í f ( . ( . M / j . - - /
14
Pontes no Espectro Periodo Natural
Taxa de Amortecimento Pseudovelocidade, ù
A 0,3 seg.
0,05 85 cm/seg.
R 0,5 seg.
0,05 165 cm/seg.
C 1,0 seg.
0,05 20C cm/seg.
Nota:
pseudovelocidade U
en
2 T
1 deslocamento máximo da estrutura com relação à base
— U ( t )m Q X
r período natural
FIG. 2.2 - Construção do espectro de resposta.
r n o
1 2
Pc E i'o D r
J— L U J L L L I X I L J U J
3 7 U 15
(b) Projeção Aritmética
FIG. 2.3 -
Resposta espectral para o a c e l e r o ^ de El Centro U J 4 0 ) , para a componente norLe-sul.
16
Uma d e s v a n t a g e m d o s e s p e c t r o s Jo n r>¡ t ."ta ° que riles, em s i , n a o f o r n e c e m u m a m e d i d a n u m é r i c a s i m p l e ; i ar, f a r r a s r e l a t i - v a s de r e g i s t r o s de d i f e r e n t e s m o v i m e n t o s s i r m i c o s . Para c o n t o r nar e s t e p r o b l e m a , a i n t e n s i d a d e e s p e c t r a l to r e g i s t r o s í s m i c o p o d e sor u s a d a c o m o foi o r i g i n a l m e n t e c o n c e b i d a por H o u s n e r / 15 / , o n d e e s t e p a r â m e t r o e d e f i n i d o c o m o a á r e a sob o e s p e c - tro da p s e u d o v e l o c i d a d e , num r e g i s t r o , e n t r e os p e r í o d o s de 0,1 a 2,5 s e g u n d o s . As i n t e n s i d a d e s e s p e c t r a i s de e s p e c t r o s com 20%
de a m o r t e c i m e n t o f o r a m e s t r e i t a m e n t e c o r r e l a c i o n a d a s com as a c e l e r a ç o e s de r a i z q u a d r a d a m é d i a ( r m s ) de um c o r t o n ú m e r o de r e - g i s t r o s , se bem que e e s e n í v e l de a m o r t e c i m o n L o n a o seja r e p r e - s e n t a t i v o de e s t r u t u r a s t í p i c a s . A p r i n c i p a l v a n t a g e m do i n t e n - s i d a d e e s p e c t r a l e q u e ela c o r r e l a e i u o a a foiça do ri.ovimonto de t e r r e n o com o p i c o da r e s p o s t a do um o s c i l a d o r n u m a faixa de pe r í ü d o c o m u m a m u i t a s e s t r u t u r a s . No e n t a n t o , ela nao f o r n e c e in f o r m a ç õ e s s o b r e a d u r a ç ã o dos a b a l o s .
2 . 2 . 4 . 3 - R a i z Q u a d r a d a M e d i a de A c e l e - a ç a o ( T I S )
A a c e l e r a ç ã o r m s de um r e g i s t r a s í s m i c o é d e f i n i d a como s e n d o : + l/'
r m s / y 1 ( t ) d 1 ( 2 1 )
o n d e y ( t ) é a a c e l e r a ç ã o no instante; T de um r e g i s t r o s í s m i - co com d u r a ç ã o total . A p r i n c i p a l vau '.agem da a c e l e r a ç ã o rms como uma m e d i d a da f o r ç a do a b a l o s í s m i c o d e v e - s e ao fato de que ela e f a c i l m e n t e c a l c u l a v e l e a p l i c á v e l em a m b a s as a n a - l i s e s de r e s p o s t a s í s m i c a : d e t n r m i n í s i i c a o n a o - d n t e r m i n í s t i c o
/ 13 /.
0 u s o da a c e l e r a ç ã o rms c o m o m e d i d a da força de a b a l o s esta s e n d o c a d a v e z m a i s r e c o n h e c i d o . Por e x e m p l o , A r i a s / 16 / c H o u s n e r / 1 7 / p r o p u s e r a m o u s o de p a r â m e t r o s que se c o r r e l a - cionam estreitamente com á a c e l e r a ç ã o rms d e f i n i d a na Eq. 2-1
A a b o r d a g e m do A r i a s c o n s i d e r a um fator un i n t e n s i d a d e I d e f i n i d o como :
o n d e , g e a--*'aceleração da p r a v i d a d e . A r i a s d r m o n o t r o u que a Eq.2.2 c o r r e s p o n d e a e n e r g i a t o t a l a c u m u l a d a no fim de um s i s m o num con - j u n t o de o s c i l a d o r e s de f r e q ü ê n c i a v a r i á v e l l i n e a r m e n t e nao arnorte e i d o s ou m o d e r a d a m e n t e a m o r t e c i d o s . Ela e q u a s e i n d e p e n d e n t e de a- m o r t e c i m e n t o e s t r u t u r a l sob uma l a r g a faixa do n í v e i s de a m o r t e c i - m e n t o . H o u s n e r r e c o m e n d o u urna m e d i d a b i - p a r a m e trica da força do a- oalo s i s m i c o , o n d e um p a r â m e t r o e a taxa m e d i a da e n t r a d a e n e r g e t i ca e o o u t r o e o i n t e r v a l o de t e m p o t d u r a n t e o q u a l a taxa m e d i a e m a n t i d a . M a t e m a t i c a m e n t e , i s t o se e x p r e s s a p o r :
P _ £111 = _l_ fXü^\\) dt . (?
- T T" J '
H o u s n e r i n t e r p r e t a P c o m o a " p o t e n c i a " do m o v i m e n t o s í s m i c o e uma m e d ã d a da t a x a p e l a q u a l a e n e r g i a e e x p e r i m e n t a d a nas e s t r u - t u r a s , ou s e j a , uma m e d i d a da s e v e r i d a d e do a b a l o . Ele t a m b é m i n - t e r p r e t a E ( T ) c o m o u m a m e d i d a da e n e r g i a total e x p e r i m e n t a d a nas e s t r u t u r a s por P ; a s s i m , E (. T") , r e p r e s e n t a a e n e r g i a dis p o n í v e l p a r a d a n o s . Em l u g a r de P , H o u s n e r i n d i c a que a q u a n -
Lidade P ~ E ( T ) T (/. também pude ser u s a d a d e s d e que e r e p r e s e n t a t i v a ria a m p l i t u d e a l c a n ç a d a por um o s c i l a d o r a m o r t e c i d o e t a m b é m c o i n c i d e com as m e d i d a s c o s t u m e i r a s da força de a b a l o s s í s m i c o s . N o t e - s o q u e P , d e f i n i d a na Cq. °-• ^ , 6 b a s t a n - te s i m i l a r à a c e l e r a ç ã o rms d e f i n i d a na Eq. 1 -
2 . 2 . 4 . 4 - D u r a ç ã o dos A b a l o s
A d u r a ç ã o d o s a b a l o s tem sido r e c o n h e c i d a c o m o um p a r â m e - tro i m p o r t a n t e que p o d e ter um e f e i t o s i g n i f i c a t i v o n o s d a n o s es L r u t u r a i s c a u s a d o s p o r a b a l o s s í s m i c o s . Eslc p a r â m e t r o sc r e l a - c i o n a e s t r e i t a m e n t e corn a e n e r g i a l i b e r a d o p e l o s i s m o , a qual , por o u t r o l a d o , d e p o n d e do c o m p r i m e n t o o cie.sl o c a m e n t e da r e g i ã o
d e s l i z a d a por f a l h a m e n t o e da m a g n i t u d e da t e n s ã o de colapso (stress d r o p ) que o c u r r o u , Urna medido parcial n o s s a s últimos p a r â m e t r o s é f o r n e c i d a pela m a g n i t u d e de R i c h L e r . Bult / 18 / sugeriu que a d u T a ç a o também depende da fi n q ü n n c i a lias ondas e da d i s t â n c i a entre o local de observação o o e p i c e n t r o . Ou- tros p a r â m e t r o s que m o s t r a r a m influenciar a duração de abalos sismicos sao; as condições locais do sítio o c o são considera dos os r e g i s t r o s de a c e l e r a ç ã o vertical e h o r i z o n t a l , v e l o c i - dade ou d e s l o c a m e n t o
Uma indicação da i m p o r t â n c i a da duração cie a b a l o s , foi fornecida por Hcusner /IO / em a c e l e r o g r a m a s iunis trados em P a r k f i e l d (1966) e El Centro ( 1 9 4 0 ) . Corno é mestraoo na Fig.
2 . 4 , o registra de P a r k f i e l d obviamente po-.cui c celeraçao m á x i m a e intensidade espectral mais a l t o s ; no nrrtanto, apesar d i s s o , o terremoto de El Centro c a u s o u , consi il • J: avel men t e ,
m a i s danos nas e s t r u t u r a s da á r e a . Este paradoxo apaiunte c resolvido se sr; consideram as diferenças na U M ...çai, dos a b a - los nos dois r e g i s t r o s . Para o registro de P a r k f i e l d essa du ração é de a p r o x i m a d a m e n t e 1 s e g . , enquanto qui- por. El Cen- tro o registro a p o n l a J5 s e g s . A partir deste c du outros casos s i m i l a r e s , Housner concluiu que exci Loções sísmicas com forte m o v i m e n t a ç ã o , porem de p e q u e n a s d u r a ç õ e s , nac são tão d e s t r u t i v a s quanto se infere de suas acelerações m á x i m a s e in t e n s i d a d e s e s p e c t r a i s .
°. 3- Fatores T e c t ó n i c o s e Geológicos que Afetar,) o Movimento sísmico do Terreno
Os vários fatores t e c t ó n i c o s e geológicos que afetam o m o v i m e n t o sísmico do terreno podem ser r e l a c i o n a d o s com o m e - canismo focal do s i s m o , a t r a j e t ó r i a de transr.iiscõn f o n t e - l o - cal das ondas s-ísmioaa o a s c o n d i ç õ e s locais r> terreno. Estj dos de s i s m o g r a m a s v. o b s e r v a ç õ e s de danos c u ? dos p o r sismos ('o passado indicam «>• efeito - p o t e n c i a i s di> c, la conjunto de p a r â m e t r o s . Por e x e m p l o , os danos causados em fan F.. nncisco
durante o terremoto ou 1906 fui am correlacionar.us com a geolo
i
a C Í Í J 1 K 0 , N S
5 10 15 T e e , S t.
20 25
(a) Ace lerograrras
P A R K F I E L D . N t ó í
f \ / " M I C I N 1 R 0 , N S
(b) Espectros de Resposta
FlG'. 2.4 - C a r a c t e r í s t i c a s dos abalos sísmicos de Parkíield (1966) e El Centro (1940).
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gia l o c a l e c o n d i ç õ e s do s o l o / / 4 / . Pout.i • i n o s t sLavam e s e o - c i a d o s com a f l o r a m e n t o s r o c h o s o s , onqusnlc iin v m e n t o s intensor foram o b s e r v a d o s em d e p ó s i t o s adjacente s de : r1 ia e m a t e r i a l : lu v i a l bem como em a t e r r o s ao l o n g o da Boia de 3: n F r a n c i s c o , F i g .
2 . 5 . O s e f e i t o s p o t e n c i a i s do m e c a n i s m o i o< ai e da trajeto - ria no m o v i m e n t o do t e r r e n o , foram d o c u m e n t a d o : em um e s t u d o do t e r r e m o t o de I m p e r i a l Val.! sy ( 1 9 4 0 ) por T r i f t n c c e Brune 111 / . N e s t e e s t u d o , as c o m p l e x a s o n d a s s í s m i c a s q p i a i a s p o r r u p t u r a s m ú l t i p l a s de f a l h a s , que o c o r r e r a m d u r a n t n a: U e v e n t o , foram j u l g a d a s como t e n d o uma i n f l u e n c i a s i g n i f i c ; Iva n o c a r á t e r g e - ral d o s m o v i m e n t o s do t e r r e n o r e s u l t a n t e s , ri yi 'otrados em El Con t r o , a c e r c a de 1 3 km da f a l h a c a u s a d o : a rios a l a l o s , F i g . 2 - 6 .
D e s s e e de o u t r o s e x e m p l o s t o r n a - s e cl a,o que v á r i o s f a - t o r e s a s s o c i a d o s c m o m e c a n i s m o f o c a l , li i t . i;1 'as o n d a s sis m i c a s , e c o n d i ç õ e s l o c a i s p o d e m se comi. i n a ; i i d i f e r e n t e s m i n e i - ras p a r a d i f e r e n t e s s i s m o s ; p o r t a n t o , esl <> r o e r e s r e q u e r e m uia c o n s i d e r a ç ã o c u i d a d o s a q u a n d o so e s t i m a m c i i ' 7 ' i o s cie m o v i m e n t o s s í s m i c o s do t e r r e n o p a r a a i n s t a i aça u i n J, u- •; it.ral nu cl (>aT ,
(ver F i g . 2 . ? e T a b e l a i ) .
2 . 3 . 1 - M e c a n i s m o Focal
Os s i s m o s t e c t ó n i c o s se i n i c i a m qu>.ieu c o u r r e um d e s i i r j - m e n t o ao l o n g o de uma falha a t i v a , cem a con: q j e n L e l i b e r a ç ã o de e n e r g i a e l á s t i c a . R e c e n t e s a v a n ç o s no u n ih ;c imen Lo i n d i c a m que esto* p r o c e s s o de d e s l i g a m e n t o p o d e tc-i um -f- it > i m p o r t a n t e no 2 movimen'.os do t e r r e n o nas v i z i n h a n ç a : ou ipit 1 T O / 2 3 / .
'Juando o c o r r e um s i s m o , reu ef ei Lo • r • r, o 00 tipo de f u - , l h a m e n t o que g o r a as o n d a s s í s m i c a s . Tios .ii - g e r a i s de. f a l h a s : de r e g e i t o d i r e c i o n a ! , r e v e r s a e noicai a;; ••(> na F i g . 2 . H
E x e m p l o s p u r o s d e s t e s t i p o s do fallu e 1 a r.'in r. ' e c o i i e m ; u a i s p r o p r i a m e n t e , o d e s l o c a m e n t o do falha p o s s u i oc r,. o ,entes p a r a l e l a e n o r m a l ao t r a ç o de f a l h a . Além Co mai'., o i>. j \i o da falha o c o r r e , t i p i c a m e n t e , ao l o n g o de u m a s u p e r f i c i e ;r : o lar ao i n v é s do
•plana, | o d e n d o e x i s t i r f al h a m e n ! os r ^ c e n d ' i. 1 1 Z L{ /.
j I N S T I T U 1 c [te K r c u f A S f -\c r r,ie ' i E N U C L E A R E S j
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(a) Proximidade do falhamento com o acelerógrafo
s e e
1A IB 1C 2
(b) Acelerogramas de El Centro
FIG. 2.6 - Relação entre o mecanismo focal e acelerogramas de El Centro, no terremoto de Imperial Valley (1940).
