Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e na região do Algarve

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1 Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e na região do Algarve Fotografia Fotografia Autor Autor 4 mm x 4 mm mm x 4 mm Rita Delfim José Rodrigues Rui Carrilho Gomes Alexandra Carvalho Estudante Instituto Superior Técnico Lisboa Rita.delfim@ist.utl.pt Estudante Instituto Superior Técnico Lisboa jose.m.rodrigues@ist.utl.pt Professor Instituto Superior Técnico Lisboa rui.carrilho.gomes@tecnico.ulis boa.pt Investigadora Auxiliar LNEC Lisboa xana.carvalho@lnec.pt SUMÁRIO O presente trabalho tem como principal objetivo o estudo dos efeitos de sítio sísmicos na região do Algarve e na área metropolitana de Lisboa, por se tratarem das zonas de maior risco sísmico em Portugal Continental. Com recurso a dados de perfis geotécnicos obtidos em campanhas passadas para as duas zonas em estudo, recorreu-se à classificação dos terrenos tipo de acordo com o Eurocódigo 8 e à nova classificação proposta por Pitilakis et al, (). Posteriormente foram comparadas as formas dos espetros de resposta elástica obtidos através da propagação de ondas de corte em meio visco-elástico estratificado com a forma do espetro de resposta do Anexo Nacional do Eurocódigo 8 para os dois cenários de ação sísmica estabelecidos para Portugal Continental. Palavras-chave: Espetro de resposta elástica; Ação sísmica; Anexo Nacional do Eurocódigo 8 Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

2 . INTRODUÇÃO O presente trabalho tem como principal objetivo o estudo dos efeitos de sítio sísmicos na região do Algarve e na área metropolitana de Lisboa, por serem as zonas com maior risco sísmico em Portugal Continental. Numa primeira fase, os perfis foram classificados segundo duas classificações de terrenos: a do Eurocódigo (EC8) [] e a proposta por Pitilakis et al, () []. Em seguida, calcularam-se os espetros de resposta elástica dos perfis de terreno em estudo pelo método linear equivalente e procedeu-se à comparação da sua forma com os espetros definidos pelo Anexo Nacional do Eurocódigo 8 (AN8-) para cada tipo de solo. Para tal, introduziu-se uma ação sísmica na base, compatível com as duas ações sísmicas regulamentares, para várias magnitudes e distâncias da fonte sísmica... METODOLOGIA Como ação sísmica indutora foram considerados os espetros ao nível do afloramento rochoso, obtidos por Carvalho et al., 7 []. Nesse estudo, foram realizadas simulações, através de uma metodologia estocástica de falha-finita, para dois cenários (próximo e afastado) representativos das duas ações tipo e tipo preconizados no AN8-. Para o cenário afastado, as simulações foram feitas para magnitudes entre 5, e 8,7, em intervalos de,, e para distâncias ao plano de falha entre 5 km e 7 km, sendo a base de dados final consistindo por um total de 456 espetros. Para o cenário próximo, apenas se considerou distâncias inferiores a km e foram simuladas magnitudes entre 4, e 7,5, em intervalos de,, a que corresponderam um total de 456 espetros. Os espetros de resposta elásticos à superfície foram determinados através do programa existente no simulador de cenários sísmicos (LNECLoss [4]), que aplica o método linear equivalente para a propagação das ondas de corte na coluna de solo. Calculam-se os espetros de potência e de resposta de aceleração à superfície tendo em consideração os espetros de potência no afloramento rochoso e o comportamento não linear das colunas de solo, traduzido pelas curvas de rigidez e de amortecimento do solo dependentes da distorção definidas por Darendeli () [5]. Uma vez obtidos os espetros à superfície, para cada tipo de terreno definido no AN8-, estes foram normalizados (divididos pelo valor máximo de aceleração) de modo a obter espetros unitários e comparados com os espetros unitários do AN8- (divididos por S/ag, sendo ag a aceleração regulamentar e S o coeficiente de solo). Pretende-se, assim, analisar os espetros em termos de forma e não de intensidade e considerar apenas a distribuição de energia ao longo de cada período. Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

3 . DADOS No âmbito de dois projetos nacionais de avaliação do risco sísmico das áreas metropolitanas de Lisboa e concelhos limítrofes e região do Algarve, financiados pela ANPC (Autoridade Nacional da Protecção Civil) foram realizados vários estudos e recolha de informação geotécnica, por equipas de diversas entidades nacionais, por forma a construir unidades sísmico-geotécnicas das áreas em estudo. Para a região do Algarve a principal fonte resultou do trabalho desenvolvido por uma equipa da Universidade do Algarve [6], Foram, assim, e para este estudo, fornecidos 8 perfis, dos quais apenas 4 foram classificados devido à falta de informação que os restantes 46 perfis apresentavam. A informação dada inclui a localização geográfica dos perfis, litologia, profundidade e velocidade de propagação das ondas S. No entanto, dada a ausência de dados que permitissem efectuar as classificações pretendidas, foi necessário estimar valores tanto para a densidade (ρ [ton/m ]), como para o índice de plasticidade (IP [%]) indicados no Quadro. Os dados fornecidos para esta região apresentam-se no Quadro. Quadro. Valores de densidade e índice de plasticidade estimados com base na litologia Litologia ρ [ton/m ] IP [%] Aluvião,6 4 Argila,7 4 Areia Argilosa,9 Areia,8 Rocha, Quadro. Dados dos perfis de terreno para a região do Algarve Perfil y [m] V s,med [m/s] Litologia 6 aluvião 4, 8 rocha 9 argila 5 8 rocha 55 aluvião 7 6,5 8 rocha 66 argila 4 6, 67 rocha argila 7 7,5 4 luvião 5,5 8 rocha 89 argila 9 8 rocha , 6 67 areia argilosa rocha 74 argila,55 8 rocha 4 areia argilosa 6,5 8 rocha 6 areia argilosa 7,95 8 rocha 55 argila 8 rocha 74 areia argilosa 6 8 rocha 8 argila 5 67 rocha Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

4 areia argilosa,7 67 rocha 9 95 argila 8 67 rocha 5 65 argila 4 67 rocha 4 5 areia argilosa 6 67 rocha 7 8 argila 5 56 argila 4 7 areia argilosa rocha rocha 7 argila 9 67 rocha 8 argila 5 67 rocha 58 argila,9 67 rocha 6 argila,5 8 rocha 55 argila 67 rocha argila 7 67 rocha 9 argila 67 rocha 65 argila 67 rocha 66 argila 67 rocha areia argilosa rocha 97 argila 7 67 rocha 95 argila 8 67 rocha 6 argila,5 67 rocha 76 argila,4 67 rocha 46 argila 67 rocha 8 argila 5 67 rocha 54 argila,75 67 rocha 98 areia 5,4 67 rocha 9 argila 4 argila 5 67 rocha areia argilosa 54,6 67 rocha argila 67 rocha 59 6 argila 8 rocha argila 44,5 67 rocha 6 7 argila 9,57 8 rocha 46 argila 5 67 rocha 6 7 argila 8 rocha 5 5 aluvião 7 4 areia 6 78 areia argilosa 8,67 8 rocha 54 55,7 67 rocha 4 argila 6,77 67 rocha 79 argila 9,6 67 rocha areia argilosa 6 8 rocha 99 areia argilosa 56 8 rocha 5 areia argilosa 78 8 rocha Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 4

5 56 aluvião 9,4 67 rocha 66 8 areia argilosa 65,5 8 rocha 57 4 aluvião,7 67 rocha aluvião 5 areia 7 aluvião 8 8 rocha 58, argila 6, 67 rocha 68 9 areia 6 8 rocha areia 8 rocha 69 8 areia argilosa 47,55 8 rocha 6 argila 9 67 rocha 7 areia argilosa 7 8 rocha 6 9 aluvião 5 67 rocha 7 8 argila 4 8 rocha 64 areia 8, 67 rocha 7 87 argila 5 8 rocha areia 6, 67 rocha argila 6 67 rocha 66 9 argila 6 67 rocha 77 6 areia argilosa 9 67 rocha aluvião 8,66 67 rocha 8 94 aluvião,5 rocha areia 6,5 8 rocha 8 6 argila 8 rocha areia 4, 8 rocha 8 8 argila 8 rocha 7 argila, 67 rocha 8 48 areia 4,5 areia 7 87 argila 5 67 rocha 7 8 rocha 4 aluvião 7 4 argila 8,4 rocha 84 8 areia 5 8 rocha 78 argila 67 rocha 85 5 argila,5 8 rocha 8 9 argila,5 8 rocha 86 5 aluvião 8,5 rocha 8 6 argila 4,8 8 rocha 87 9 areia argilosa 6 85 areia argilosa 8 89 argila 4 67 rocha 77 areia 67 rocha 88 8 rocha 7 argila,5 8 rocha Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 5

6 9 67 argila,5 67 rocha 89 5 aluvião 4 8 rocha 9 75 areia 4,65 67 rocha 9 7 argila 8 rocha 9 87 argila 5 67 rocha 9 7 argila 4 8 rocha 94 4 argila 8 67 rocha 94 6 argila 9 rocha 95 7 areia argilosa 5 67 rocha 96 7 areia argilosa 6,5 8 rocha 96 6 areia 8,6 67 rocha argila,5 8 rocha areia argilosa 4 67 rocha 98 8 argila,5 8 rocha 7 areia argilosa 8,5 8 rocha 99 9 aluvião 8 rocha 56 argila 5 8 rocha 56 argila,5 8 rocha 8 areia argilosa 4 8 rocha 76 areia,5 8 rocha 4 areia argilosa 9 8 rocha 9 aluvião 8,5 8 rocha 6 56 areia argilosa 5 8 rocha 4 argila 4,5 8 rocha 7 7 areia argilosa 6,5 8 rocha 5 9 aluvião rocha 9 6 areia 5 8 rocha 9 argila 5 8 rocha 74 argila 6 8 rocha 4 8 areia argilosa,8 8 rocha 97 areia argilosa 8,5 8 rocha 5 89 areia 5,5 8 rocha 4 77 areia argilosa 7,75 8 rocha 8 76 argila 6 8 rocha 7 48 areia argilosa 5 8 rocha 9 aluvião 76 areia 6 areia argilosa rocha 8 areia argilosa 4 67 rocha 4 7,5 8 rocha 6 areia argilosa,5 8 rocha 66 argila 8 rocha Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 6

7 44 areia argilosa 67 rocha aluvião 8 rocha 4 89 areia argilosa rocha 7 7 argila 4 8 rocha Para a área de Lisboa foram fornecidos 8 perfis identificados de B a AN [7]. Cada um destes perfis tinha a informação referente à profundidade do topo da camada, y, densidade, ρ, velocidade média das ondas de corte, V s,med, número de camadas, índice de plasticidade, IP, apresentado no Quadro. Quadro. Dados dos perfis de terreno para Lisboa Perfi l y [m] ρ [ton/m ] V s,med [m/s] n camadas IP [%] U,8 88,,9 68,7 B,8 7 4,5,, 6,8 C, 97, 4 4,5,9 67,4 6 V,6 48,8 59, ,9, 6, 7,8,9 8,4 5,8, 4 4 4,8, D 4,5,8, 5 4,8 6, 5 4,8 49, 6 W 5,,8,6 8 6,,,4,4 5, ,8 87, ,5, X 8,8,9 65,4 7 E,5,8 4 5,8 7 5,9 6,8 79 4,8 5, 6 4, Y 6,8 5 6,8,8 7,9 7 F ,5,,6 6 5 G,8 6, ,4,4 Z 5,5,8 55 7,5,8 5,,8, 5 5,, H 4,5,9 4,7 9 4, AA,6 59, 7 5 7, 9,,,8,8 9 8 AB,7, I 8,4, ,,,6, Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 7

8 ,8 4,6, J, , AC 5, ,7, 45,, AD,8 58, ,6 75 7,6 7 4 K 4, AE 4,5, ,7, , ,8 88, ,5 6,8,8 54 7,5,8 56 6,8,8,8 6 4 L 6,5, AF,,6 6, 7 8,4,6 7, ,8, M, ,4, 6, AG,7 77, ,4, AH, ,4, N 6,8,8 9,4 4 4,,8 8,8 9 47,7 6 AI,8 9,,7 7, 8 4,,6 44 5, ,,,8,8 5 4,7 8 O 6,9,8 69,4 7,6,8 67 AJ, ,8 7 9,6,8 9, , 6 4 6, AK 5,5,, P 7,5, ,5, 6, 6 6,6 5 4,5 6 AL,8 4 5, ,4 Q 7,5,8,6 8,5, AM 5, ,4 S, ,5, 5,5 6 AN,6 8 8, , ,4 Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 8

9 ,7 88, 6 6,8 4 7 T, ,8 85, ESQUEMAS DE CLASSIFICAÇÃO DO TERRENO 4. Classificação do terreno de acordo com o Eurocódigo 8 Para a classificação dos terrenos, o Eurocódigo 8 (EC8) apresenta as seguintes classes indicadas no Quadro 4. Após a classificação dos 7 perfis de terreno obteve-se a distribuição por tipos de solo como mostra a Figura. Quadro 4. Classificação do terreno (EC8) Classificação A B C D E S V s, [m/s] < 8 - < IP [%] Espessura camada aluvionar superficial [m] EC8 A B C D E S Nº perfis Figura. Distribuição dos perfis pelas classes do EC8 Pela Figura, constata-se que a maior parte dos perfis de terreno da região do Algarve e da área metropolitana de Lisboa é do tipo E, enquanto que nenhum dos perfis foi classificado como S. Não foi incluído o solo do tipo S nesta análise por não se considerar o potencial de liquefação dos solos. Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 9

10 4. Classificação do terreno de Pitilakis et al., () Pitilakis et al. () [] apresenta uma classificação do terreno baseada na classificação do EC8, mas com subdivisões (Quadro 5). À semelhança do que foi realizado para a classificação pelo EC8, procedeu-se à classificação dos perfis segundo Pitilakis et al. () e obteve-se a distribuição dos perfis de terreno por classes conforme é apresentado na Figura. Quadro 5. Classificação do terreno de Pitilakis et al. () Classificação A A B B C C C D D D E V s [m/s] V s,av [m/s] IP [%] < H [m] Pitilakis A A B B C C C D D D E Nº perfis Figura. Distribuição dos perfis pelas classes da classificação de Pitilakis et al. () Pela Figura, constata-se que, apesar da maior parte dos perfis continuar a ser classificados como tipo E, a segunda maior classe para o EC8, tipo C, nesta classificação não se verifica. Os perfis de terreno do tipo C da classificação do EC8 repartem-se nos vários tipos de C de Pitilakis et al. () (tipo C e C) e ainda no tipo D. É também de salientar a inexistência de perfis de classe B (B e B) de Pitilakis et al. (), uma vez que os perfis do tipo B do EC8 são classificados como tipo A ou E segundo esta classificação agora aplicada. Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

11 Sa/ag Sa/ag 5as Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas 5. ANÁLISE DE ESPETROS DE RESPOSTA ELÁSTICA DO ANEXO NACIONAL DO EUROCÓDIGO 8 5. Ação sísmica Tipo Sismo Afastado A ação sísmica tipo é estabelecida se os sismos que contribuem para a perigosidade sísmica do local em estudo tiverem uma magnitude superior a 5,5. Assim, fez-se a análise para os espetros de resposta à superfície resultantes da ação sísmica no afloramento rochoso originados por sismos de magnitudes entre 5,5 e 8,7. A análise considerou dois grupos, com magnitudes inferiores a 7,5 e superiores a 7,5, para melhor manuseamento de dados. Para cada magnitude, a que corresponde um plano de falha de determinada dimensão, foram geradas ações sísmicas para cerca de 5 distâncias diferentes. Uma vez que os sismos de maior magnitude produzem efeitos a maiores distâncias, analisou-se um intervalo de distâncias de a 5 km, para os sismos de menor magnitude, e um intervalo de a 5 km para as maiores distâncias Tipo A (a) Tipo B (b) 4 M<7,5 M>7,5 AN8- M<7,5 M>7,5 AN8- Figura. Comparação dos espetros de resposta do AN8- com os espetros de resposta do tipo A (a), tipo B (b) para a ação sísmica do tipo Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

12 Sa/ag Sa/ag Sa/ag 5as Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas.5 Tipo C (c).5 Tipo D (d) M<7,5 M>7,5 AN8- M<7,5 M>7,5 AN Tipo E (e) 4 M<7,5 M>7,5 AN8- Figura 4. Comparação dos espetro de resposta do AN8- com os espetros de resposta dos tipo C (c), tipo D (d) e tipo E (e) para ação sísmica do tipo A Figura e a Figura 4 mostram a comparação dos espetros de resposta elástica determinados pelos perfis do terreno do Algarve e Lisboa com os espetros de resposta do Anexo Nacional do EC8 (AN8-). Para o tipo A (Figura (a)) constata-se que existe um pico de aceleração espectral para baixos períodos que não coincidem com a forma do espetro do AN8-. Os espetros de resposta do tipo B (Figura (b)) e do tipo E (Figura 4 (e)) situam-se em geral abaixo do espetro de resposta do AN8- e não apresentam patamar, excepto para magnitudes superiores a 7,5 e períodos acima de s. Para o caso do tipo C (Figura 4 (c)) e tipo D (Figura 4 (d)), constata-se que para magnitudes superiores a 7,5, os espetros de resposta obtidos encontram-se acima do espetro do AN8-. Fica patente a importância da possível revisão dos parâmetros que definem a forma dos espetros de resposta regulamentares, como o valor de TC para estes dois tipos de solo, de modo a alargar a forma do espetro. Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

13 Sa/ag Sa/ag Sa/ag Sa/ag 5as Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas 5. Ação sísmica Tipo Sismo Próximo Como foi referido na secção anterior, para sismos com magnitude inferior a 5,5 deve adoptar-se os espetros de resposta do tipo. Por esta razão, a análise para este tipo de ação sísmica engloba magnitudes de 4, a 7,5, fazendo uma separação em dois grupos entre magnitudes inferiores ou superiores a 5,5 de modo a ser possível observar as diferenças. Para cada magnitude foram geradas cerca de 5 ações com diferentes distâncias. Para as menores magnitudes o intervalo de distâncias é até 5 km e para as maiores distâncias, o intervalo é até km. 5 4 Tipo A (a) Tipo B (b) 4 4 M<5,5 M>5,5 AN8- M<5,5 M>5,5 AN8-.5 Tipo C (c).5 Tipo D (d) M<5,5 M>5,5 AN8- M<5,5 M>5,5 AN8- Figura 5. Comparação dos espetros de resposta do AN8- com os espetros de resposta do tipo A (a), tipo B (b), tipo C (c) e tipo D (d) para a ação sísmica do tipo Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve

14 Sa/ag 5as Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas Tipo E (e) 4 M<5,5 M>5,5 AN8- Figura 6. Comparação dos espetros de resposta do AN8- com os espetros de resposta do tipo E (e) para ação sísmica do tipo Na Figura 5 e na Figura 6 observa-se a comparação dos espetros de resposta elástica determinados pelos perfis do terreno do Algarve e Lisboa com os espetros de resposta do Anexo Nacional do EC8 para o cenário do tipo de ação sísmica. Destas figuras é possível constatar que, para o tipo A (Figura 5 (a)), à semelhança do que acontecia para a ação sísmica do tipo, existe um pico de acelerações espectrais para valores muito baixos de período. Denota-se também que o espetro de resposta para magnitudes superiores a 5,5 coincide com o espetro do AN8-. Uma vez que este é adoptado para sismos com magnitude não superior a 5,5, verifica-se por esta coincidência que não é adequada. O mesmo se verifica para os outros tipos de solo, onde se pode observar que o espetro de resposta para magnitudes superiores a 5,5 ultrapassa ou é coincidente com o espetro de resposta do AN8-. No entanto, para os tipos C (Figura 5 (c)) e D (Figura 5 (d)) os espetros de resposta para magnitudes inferiores a 5,5 são coincidentes com o espetro do AN8- na sua maioria. Tal sugere, novamente à semelhança do que acontecia para a ação sísmica do tipo, que a forma do espetro de resposta do AN8- deve ser mais alargada. Para os tipos B (Figura 5 (b)) e E (Figura 6 (e)), para além do que já foi referenciado relativamente ao espetro de magnitude superior a 5,5, o espetro de resposta para as magnitudes características deste tipo de ação sísmica do AN8- é adequado aos espetros de resposta determinados. Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 4

15 6. CONCLUSÕES Pela classificação dos perfis de terreno através de duas classificações distintas, segundo o EC8 e segundo a proposta de Pitilakis et al. (), foi possível observar as diferenças entre as duas classificações. Apesar de não serem muito significativas, o novo sistema de classificação proposto por Pitilakis et al. () é mais detalhado, no sentido geotécnico uma vez que introduz novos parâmetros primários não considerados no sistema classificativo do EC8. Pela análise dos espetros de resposta elástica associados aos perfis de terreno fornecidos foi possível concluir que o efeito da magnitude dos sismos faz variar a forma dos espetros. Tal facto é tido em consideração no AN8- pela diferença entre os espetros de ação sísmica do tipo ou, no entanto, para os tipos de solo C e D, a forma dos espetros de resposta deveriam ser alargados para períodos longos. REFERÊNCIAS [] EN (). Eurocódigo 8 - Projeto de estruturas para resistência aos sismos. Parte : Regras gerais, ações sísmicas e regras para edifícios. Instituto Português da Qualidade. [] Pitilakis, K. R. (). New code site classification, amplification factors and normalized responde spectra based on a worldwide ground-motion database. Springer. [] Carvalho, A. (7). Modelação estocástica da ação sísmica em Portugal Continental. Dissertação de doutoramento; IST; Lisboa. [4] Campos Costa, A., Sousa, M.L., Carvalho, A., Bilé Serra, J., Martins, A. e Carvalho, E.C., (4). Simulador de cenários sísmicos integrado num sistema de informação geográfica. 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica, Guimarães. pp [5] Darendeli, M. (). Development of a new family of normalized modulus reduction anda material damping curves. Dissertation of the degree of Doctor of philosophy in the University of Texas at Austin. [6] Silva, J.; Estêvão, J. e Martins, C., (7). Estudo de Risco Sísmico e de Tsunamis do Algarve Caracterização Geológica-Geotécnica do Algarve. Relatório Final. Universidade do Algarve. Escola Superior de Tecnologia. [7] Cansado Carvalho, E. C.; Campos Costa, A.; Sousa, M. L.; Martins, A () Caracterização, Vulnerabilidade e Estabelecimento de Danos para o Planeamento de Emergência sobre o Risco Sísmico na Área Metropolitana de Lisboa e nos Municípios de Benavente, Salvaterra de Magos, Cartaxo, Alenquer, Sobral de Monte Agraço, Arruda dos Vinhos e Torres Vedras. Contribuição para uma Simulação Simplificada de Danos. Relatório final, Relatório LNEC 8/. Estudo da resposta sísmica local na área metropolitana de Lisboa e região do Algarve 5