UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA. Departamento de Engenharias

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1 UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Departamento de Engenharias VIBRAÇÕES INDUZIDAS PELA ESCAVAÇÃO SUBTERRÂNEA DE MACIÇOS ROCHOSOS COM RECURSO A EXPLOSIVOS E SEUS EVENTUAIS IMPACTES NAS ESTRUTURAS João Carlos Ferreira Miguens Setembro de 2011

2 UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Departamento de Engenharias VIBRAÇÕES INDUZIDAS PELA ESCAVAÇÃO SUBTERRÂNEA DE MACIÇOS ROCHOSOS COM RECURSO A EXPLOSIVOS E SEUS EVENTUAIS IMPACTES NAS ESTRUTURAS João Carlos Ferreira Miguens Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Orientadores: Doutor Manuel Joaquim Alves Leal Gomes Doutor Nuno Miguel Cordeiro Cristelo Co orientador: Doutor Rogério Paulo Vigário Mota Júri Presidente: Doutora Anabela Gonçalves Correia de Paiva, Professora Associada da UTAD Arguente: Doutor João Paulo Sousa Costa de Miranda Guedes, Professor Auxiliar da FEUP Vogais: Doutor Rogério Paulo Vigário Mota, Investigador Auxiliar do LNEC Vogais: Doutor Manuel Joaquim Alves Leal Gomes, Professor Associado da UTAD Vogais: Doutor Nuno Miguel Cordeiro Cristelo, Professor Auxiliar da UTAD Setembro de 2011

3 Agradecimentos A realização da dissertação que ora se apresenta só se tornou possível, para além da contribuição pessoal, pela participação empenhada de um conjunto de pessoas e entidades a quem venho, publicamente, expressar o meu sincero reconhecimento: Ao Doutor Rogério Mota, investigador do Núcleo de Geologia de Engenharia e Geotecnia Ambiental do Departamento de Geotecnia do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). A ele devo a realização deste trabalho, quando, em Outubro de 2009, me anunciou a sua disponibilidade para co-orientar este projecto. Foi aí que tudo começou. Só com o seu empenhamento, dedicação, entusiasmo e incansável apoio, a todos os títulos determinantes e inexcedíveis, foi possível tornar este empreendimento uma realidade. Agradeço ainda a partilha de conhecimentos, a numerosa bibliografia que me proporcionou, os comentários e sugestões e a exímia revisão do texto; Ao Professor Leal Gomes e ao Professor Nuno Cristelo, meus orientadores, dos Departamentos de Geologia e de Engenharia Civil, respectivamente, da Universidade de Trásos-Montes e Alto Douro (UTAD), pela documentação facultada, motivação e amizade; Ao LNEC, por todas as facilidades concedidas na cedência dos meios, humanos e materiais, necessários à realização dos trabalhos conducentes à presente dissertação; À Professora Anabela Paiva, Coordenadora do Mestrado em Engenharia Civil da UTAD, pela disponibilidade, apoio e afabilidade que sempre demonstrou, desde o primeiro momento, quando comecei a pensar na realização do mestrado; Ao Professor Dinis da Gama, presidente do Centro de Geotecnia do Instituto Superior Técnico (IST), pela incondicional generosidade na transmissão de conhecimentos, através dos seus pareceres técnicos, e ainda pela disponibilização de alguma literatura da especialidade, de que é autor e/ou co-autor; Ao Professor Pedro Bernardo, do Departamento de Minas e Georrecursos do IST, por ter proporcionado o acesso à sua Dissertação de Doutoramento; I

4 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Ao Professor Carlos Coke, do Departamento de Geologia da UTAD, pelas suas indicações acerca do enquadramento geológico da zona objecto do estudo; Ao Professor João Bilé Serra, da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCTUNL), pelo esclarecimento de alguns conceitos no âmbito da Engenharia Sísmica; Ao Engenheiro Gustavo Paneiro, do Centro de Estudos em Recursos Naturais e Ambiente do IST, pela amabilidade na indicação das referências bibliográficas, completas, de alguns trabalhos; Ao Engenheiro Carlos Martins e ao Valter Nascimento, experimentadores do LNEC, pela ajuda e dedicação no decurso dos trabalhos de campo; À Administração, à Direcção Geral, à Direcção Técnica e às Direcções de Produção do Infratúnel, Construtores do Túnel do Marão, ACE, por todo o apoio, nomeadamente pela disponibilização dos dados recolhidos nas duas primeiras campanhas de medição de vibrações e pela cedência dos meios para os levantamentos topográficos; Ao Engenheiro Eduardo Matos, pela sua amizade e pelo incentivo e interesse constantemente demonstrados; Ao Miguel Pereira e ao Hugo Costa, pela sua importante colaboração nos trabalhos de topografia, no campo, e em gabinete; Ao Engenheiro Rui Luís, ao Dr. Luís Santos e a toda a equipa da Empresa Portuguesa de Obras Subterrâneas (EPOS), responsável pelos trabalhos de escavação dos túneis (frente nascente), pela acessibilidade aos elementos sobre os desmontes monitorizados; Ao Dr. Carlos Carvalho, do Departamento de Informática e Comunicações do Infratúnel, ACE, pela prestimosa ajuda, gentileza e total disponibilidade na fase de edição do documento; Ao Engenheiro Tiago Pinto, pelo seu apoio incondicional na superação de algumas dificuldades a nível informático, pela cedência de vários elementos bibliográficos e, especialmente, pelo seu companheirismo; A todos os colegas e amigos, pelo estímulo e encorajamento reiteradamente manifestados; À Elisabete, pela mãe dedicada que sempre tem sido e pela sua imprescindível ajuda ao assegurar os meus deveres paternais, em particular neste período de muito labor; E, por último, mas em primeiro, ao João Pedro, meu filho, pelo seu amor e compreensão, especialmente nesta minha fase de algum alheamento. É a ele que dedico este trabalho! II

5 Resumo O uso de explosivos nas actividades de construção, nomeadamente no desmonte de rochas para escavação de obras subterrâneas, dá origem a impactes ambientais mais ou menos significativos, com particular importância quando as populações e o seu património são afectados. Esses efeitos traduzem-se na geração de ondas cuja propagação nos terrenos pode induzir, através das fundações, vibrações excessivas nas estruturas e, em resultado da propagação de ondas de choque através da atmosfera, designadas por onda aérea, pode levar ao desconforto humano e até mesmo a danos estruturais nas edificações. O controlo das vibrações provocadas por explosões ou solicitações semelhantes constitui actualmente um domínio importante da Mecânica das Rochas devido às implicações económicas na segurança das estruturas e na qualidade de vida das pessoas. Procurou-se, com o presente trabalho, a avaliação das eventuais influências do emprego daquela tecnologia na escavação de túneis, na segurança das estruturas envolventes. Associado a este objectivo foi estudado o modo de propagação das ondas sísmicas e o controlo das vibrações, de forma a assegurar a execução dos trabalhos de desmonte de forma controlada, tendo em vista a mitigação daqueles efeitos. A caracterização dinâmica de terrenos submetidos a acções impulsivas provenientes de explosões, e a sua acção nas condições de propagação das ondas sísmicas, foram analisadas com recurso à utilização de métodos de prospecção geofísica. Com esse propósito, foram realizados alguns perfis de refracção sísmica, em locais próximos de medição de vibrações, para determinação da velocidade de propagação junto às estruturas. O estudo da heterogeneidade dos terrenos locais teve como suporte a execução de um perfil de resistividade eléctrica. Com recurso à aplicação informática Grapher, versão 4, foram obtidas leis de propagação de vibrações para o meio analisado, em função das litologias presentes e dos resultados dos ensaios de campo. Palavras-Chave: impacte ambiental; explosivos; vibração dos terrenos; frequência; danos estruturais III

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7 Abstract The explosives used in construction activities, including rock blasting for underground works, gives rise to environmental impacts more or less significant, with particular importance when the people and their property are affected. These effects result in the generation of wave propagation in which ground can induce, through foundations, excessive vibration on structures and as a result of propagation of shock waves through the atmosphere, called the air wave, can lead to human discomfort and even structural damage to buildings. Blast vibrations control is currently a major area of Rock Mechanics due to the economic implications on the safety of structures and quality of life. One of the goals of the present work was the evaluation of blast vibration control in tunnel works to the security of surrounding structures. Associated with this objective the propagation of seismic waves and vibration control, was studied to ensure the implementation of controlled of blasting work in order to mitigate vibration effects. The dynamic characterization of building soil foundations subject to impulsive actions from explosions was studied with geophysical methods. For this purpose some refraction seismic profiles were performed near vibration measurements sites to determine the propagation velocity of the particles in the soil/rock mass nearby constructed structures. An electrical resistivity profile was executed to investigate a local geological heterogeneity. Using the computer application Grapher, version 4, vibration propagation laws were obtained as function of local lithologies. Key-Words: environment impact; explosives; ground vibrations; frequency; structural damages V

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9 Índice de Texto 1. Introdução Enquadramento do tema da dissertação Objectivos e organização do estudo O Impacte Ambiental das Vibrações Considerações gerais Escavação com uso de explosivos Geração de vibrações Ondas de Tensão Propagação de vibrações Efeitos e controlo das vibrações Medidas de minimização das vibrações A influência do parâmetro frequência nos critérios de dano estrutural Regulamentação internacional sobre vibrações Norma Alemã (DIN 4150) Norma Suíça (SN A) Normas inglesas Recomendações francesas Norma italiana (UNI 9916) Norma sueca (SS ) Norma Norte-Americana USBM (RI 8507 e OSMRE (Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement) Norma Australiana Outros critérios internacionais Análise das principais normas A Norma Portuguesa Considerações gerais O projecto de revisão da NP Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações Métodos sísmicos de prospecção geofísica Método de Refracção Sísmica Método de Resistividade Eléctrica/Tomografias de Resistividade Eléctrica Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Considerações gerais Geologia e geotecnia locais Metodologia VII

10 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas 4.4. Equipamento utilizado Medições e registos efectuados Resultados obtidos Interpretação dos resultados obtidos Propriedades dinâmicas dos terrenos Análise dos resultados e conclusões Leis de propagação de vibrações Cenário 1 - utilização simultânea das quatro cargas máximas instantâneas (54 pontos de registo) Cenário 2 - utilização simultânea das quatro cargas máximas instantâneas (42 pontos de registo) Cenário 3 - utilização individual de cada uma das quatro cargas máximas instantâneas Resultados obtidos Análise dos resultados Conclusões Finais Referências Bibliográficas ANEXO I - Valores de vibração medidos e calculados ANEXO II - Plano e Diagrama de Fogo ANEXO III - Plano e Diagrama de Fogo ANEXO IV - Plano e Diagrama de Fogo ANEXO V - Exemplos de registo das vibrações com o equipamento Instantel ANEXO VI - Exemplos de registo das vibrações com o equipamento Sinco VIII

11 Índice de Figuras Capítulo 2 Figura 2.1 Velocidade vibratória de acções características em função da distância (adaptado de Sarsby, 2000, in Bernardo, 2004) Figura 2.2 Componentes vibratórias geradas na cravação de uma estaca (Sarsby, 2000, adaptado por Dinis da Gama, 2003, in Bernardo, 2004) Figura 2.3 As três componentes de vibração no interior de um maciço submetido à detonação de uma carga explosiva (Dinis da Gama, 2003) Figura 2.4 Ondas sísmicas (adaptado de Smoltczyk, 2002, in Bernardo, 2004) Figura 2.5 Ondas de tensão (Bernardo, 2004) Figura 2.6 Atenuação das vibrações com a distância (Jimeno et al., 1995) Figura 2.7 Efeito da litologia do terreno de fundação nas velocidades vibratórias, em duas estruturas equidistantes de uma detonação (modificado de Jimeno et al., 1995, in Paneiro, 2006) Figura Fendas típicas devidas a movimentos sísmicos (Jimeno et al., 1995, in Bernardo, 2004) Figura 2.9 Problemática das vibrações em Geotecnia (Dinis da Gama, 2003) Figura Variação da frequência, em altura, num edifício (Bernardo, 2004, in Jimeno et al., 1995) Figura 2.11 Funções de amplificação dinâmica R d, R v, R a (Serra, 2001) Figura 2.12 Comparação dos vários níveis de vibração, em função da frequência, que produzem danos estruturais, segundo cada norma (Mota, 2009, adaptado, in Athanasopoulos e Pelekis, 2000) Figura 2.13 Norma alemã DIN Representação dos valores da velocidade de vibração, em mm/s, em função da frequência em Hz e das características estruturais dos edifícios (Bacci et. al, 2003a, modificado de Berta, 1985, in Bacci 2000) Figura 2.14 Diagrama proposto pela AFTES para as vibrações admitidas para as três classes de estrutura (Bacci et. al, 2003a, adaptado de Anon, 1974, in Borla 1993 e Bacci, 2000) Figura 2.15 Diagrama representativo dos valores de velocidade de vibração admitidos, sugeridos pelo projecto de recomendação francês relativo às vibrações induzidas exclusivamente pela detonação em pedreiras. As curvas a tracejado representam o limite inferior que, para as duas categorias de edifícios, pode ser superado com uma probabilidade de 10% (Bacci et al., 2003a, modificado de Anon, 1991, in Borla, 1993 e Bacci, 2000) IX

12 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura 2.16 Diagrama representativo dos limites de V p e de deslocamento, sugeridos pelo USBM e OSMRE, medidos em mm/s e mm, respectivamente, em função da frequência, em Hz. A linha tracejada, em baixo, refere-se aos valores propostos pelo USBM para paredes rebocadas (Bacci et al., 2003b, modificado de Berta, 1985, in Bacci, 2000) Figura 2.17 Gráfico comparativo das normas, alemã DIN 4150 e norte-americana RI 8507 (Bacci et al., 2003b, modificado de Schillinger, 1994, in Bacci, 2000) Capítulo 3 Figura Esquerda Marreta e placa metálica. Direita Tiro com marreta Figura 3.2 Dromocrónicas obtidas na execução de um perfil com 5 tiros. (Em destaque o tiro mais a montante. Dados de campo a cinzento e resultados da inversão a azul) (Mota, 2010) Figura Refracção de um raio através de uma interface entre dois meios de diferentes velocidades de propagação das ondas sísmicas (Mota, 2006, adaptado de Redpath, 1973) Figura Exemplo de um meio estratificado horizontalmente, composto por três camadas de velocidades de propagação crescentes com a profundidade ( > >, e respectivo gráfico tempo-distância (Mota, 2006) Figura Esquema do sistema de multi-eléctrodos (ABEM Terrameter 4000 e Sistema Lund) (Mota, 2006) Capítulo 4 Figura A Panorâmica do emboquilhamento dos túneis. B Caminho de acesso ao emboquilhamento. C Vista geral da povoação de Viariz da Santa. D Vista parcial da povoação de Viariz da Poça Figura 4.2 Esboço Geológico do Sul da Serra do Marão (Coke et al., 2000, Estudo Geológico e Geotécnico Relatório Geológico e Geotécnico S3/S RGG, adaptado) Figura 4.3 A: S6 Peak Vibration Monitor, B: Minimate Plus (Mota, 2009) Figura 4.4 Locais de instalação dos geofones em edifício a monitorizar (Dinis da Gama, 2009) Figura Locais de medição de vibrações Figura 4.6- Esquerda preparação do afloramento rochoso no local T1, para instalação do geofone. Direita - local de registo T Figura 4.7 Identificação dos locais de realização dos trabalhos no decurso das três campanhas Figura 4.8 Vista geral da linha de água entre as duas vertentes (orientação NE-SW) X

13 Índice Figura Esquerda - Vista geral da linha de água entre as duas vertentes (orientação SW NE). Direita Instalação do geofone no local T Figura Mapas da velocidade de vibração das campanhas de 2009 (topo) e do conjunto das três campanhas (baixo); encontram-se assinalados a negro (marcas +) os locais de registo de vibrações considerados para a elaboração do mapa) Figura Esquerda Perfil PS3 (vista de NE para SW). Direita - Perfil PS4 (vista de SW para NE). Assinalam-se os locais de registo de vibrações nas campanhas anteriores Figura A Alinhamento do perfil PS3. B Casa 8, junto ao perfil PS3 (Viariz da Poça). C Trabalhos preparatórios para a realização do perfil PS5. D Captação das ondas sísmicas no perfil PS5. E - Leitura de coordenadas geográficas no extremo oeste do perfil PS Figura Vista geral do perfil de resistividade Figura Esquerda -Vista do perfil de resistividade na zona da linha de água. Direita Montagem do equipamento Figura Modelos para os perfis de refracção sísmica PS1 (esquerda) e PS2 (direita) Figura Modelos para os perfis de refracção sísmica PS3 (esquerda) e PS4 (direita) Figura Modelo para o perfil de refracção sísmica PS Figura Modelos obtidos para o perfil de resistividade eléctrica executado, com os dispositivos de Wenner (em cima) e dipolo-dipolo (em baixo) Figura Velocidades de vibração medidas nas três campanhas Figura Leis de propagação de vibrações em função da equação v k DW1/3 b, considerando a totalidade dos pontos medidos Figura Leis de propagação de vibrações em função da equação v k DW1/3 b, (exclusão dos doze pontos com menores velocidades de vibração) Figura Leis de propagação de vibrações em função da equação v k DW1/3 b, considerando cada carga máxima instantânea individualmente XI

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15 Índice de Tabelas Capítulo 2 Tabela Parâmetros das ondas sísmicas (Bernardo, 2004, adaptado de Sleep e Fujita, 1997) Tabela Danos em habitações implantadas em diferentes terrenos (Esteves, 1993, in Langefors e Kihlström, 1963) Tabela 2.3 Valores admitidos pela norma alemã DIN 4150 para danos em edifícios (Bacci et. al, 2003a, adaptado de Berta, 1985, in Bacci 2000) Tabela 2.4 Valores sugeridos pela norma suíça. Os valores de Vp foram medidos para fontes de vibração de tipo ocasional (Bacci et. al, 2003a e Paneiro, 2006, adaptado de Borla, 1993, in Bacci, 2000) Tabela 2.5 Valores de velocidade de vibração de partícula, segundo a AFTES, 1974 (Bacci et al., 2003a, adaptado de Weber et al., 1974, in Fornaro, 1980, in Bacci, 2000) Tabela 2.6 Limites de velocidade de vibração de partícula (V p ) sugeridos pela Circular do Ministério do Ambiente Francês (Bacci et al., 2003a, adaptado de Kiszlo, 1993, in Bolra 1993 e Bacci, 2000) Tabela 2.7 Valores admissíveis de velocidade de vibração de partícula (V p ) em função da amplitude (Bacci, et al., 2003a) Tabela 2.8 Valores limite de Vp, da componente vertical (mm/s), para danos em estruturas civis (Bacci et al., 2003a, adaptado de Langefors e Kihlstrom, 1963, Persson et al., 1994, in Paneiro, 2006 e Bacci, 2000) Tabela 2.9 Níveis seguros de velocidade de vibração de partícula para estruturas civis (Bacci et al., 2003b, adaptado de Siskind et al., 1980, in Bacci, 2000) Tabela 2.10 Valores máximos de velocidade de vibração de partícula, adoptados pela Norma AS2187, segundo os tipos de construções civis (Bacci et al., 2003b, adaptado de Scott, 1996, in Bacci, 2000) Tabela 2.11 Critérios de dano para estruturas submetidas a vibrações (Dinis da Gama, 1998) Tabela 2.12 Valores limite da velocidade de vibração de acordo com a norma NP 2074, em função do terreno de fundação considerado para cada local e das características do edificado (mais de três detonações diárias) (Bernardo e Dinis da Gama, 2006) Tabela 2.13 Projecto de revisão da NP 2074, adaptado de Azevedo e Patrício, 2003, e Esteves, XIII

16 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Capítulo 3 Tabela Valores característicos da velocidade da onda sísmica de compressão (V p ) em alguns materiais (Mota, 2006, adaptado de Press,1966, in Darracott, 1976 e Lavergne, 1989) Tabela Resistividade da água e de alguns metais, minerais e rochas mais comuns (Mota, 2006, adaptado de Reynolds (1997), Berkeley (2004) e Sheriff (1991)) Capítulo 4 Tabela 4.1 Características geotécnicas das rochas do xisto-grauváquico (Coke et al., 2000) Tabela 4.2 Valores da vibração ambiente gerada pela circulação de viaturas, ou pessoas, próximo dos locais de monitorização 1, 2, 8, I, N, O e P Tabela 4.3 Valores registados e calculados em cada um dos locais de medição das vibrações nas duas campanhas de 2009, dispostos por ordem cronológica de registo* Tabela Valores registados e calculados em cada um dos 7 locais de medição das vibrações na campanha de Tabela 4.5 Valores medidos e calculados em Outubro de Tabela 4.6 Valores limite da velocidade de vibração, de acordo com a norma NP 2074, em função do terreno de fundação considerado para cada local e das características do edificado (mais de três detonações diárias) Tabela Valores registados e calculados em cada um dos 30 locais de medição de vibrações Tabela 4.8 Leis de propagação de vibrações obtidas Tabela 4.9 Coeficientes a, b e c, típicos de algumas litologias (Bernardo e Torres, 2005) XIV

17 Simbologia Símbolo Significado - tipo de terreno de fundação (NP 2074) - tipo de construção (NP 2074) - taxa de amortecimento de uma estrutura - deslocamento - deformação - porosidade - número médio diário de solicitações (NP 2074) λ - comprimento de onda - massa volúmica - tensão - tensão dinâmica - coeficiente de Poisson X, Y, Z - direcções espaciais - aceleração - velocidade de propagação das ondas no terreno - velocidade de propagação das ondas longitudinais (ondas P) - velocidade de propagação das ondas transversais (ondas S) - densidade - distância entre o ponto de detonação e o de recepção - módulo de elasticidade - frequência de vibração - frequência natural - aceleração da gravidade - módulo de distorção - relação entre impedâncias - energia potencial XV

18 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas - aceleração de pico de partícula - velocidade de vibração resultante máxima - velocidade de pico de partícula - factor de resposta à aceleração - factor de resposta à deformação - relação de energia - factor de resposta à velocidade - período - velocidade de vibração das partículas - componente longitudinal da velocidade de vibração - resultante vectorial da velocidade de vibração - componente transversal da velocidade de vibração - componente vertical da velocidade de vibração - valor limite da velocidade de vibração (NP 2074) - volume de partículas sólidas - volume de vazios - carga de explosivo por retardo XVI

19 1. Introdução 1.1. Enquadramento do tema da dissertação Desde os primeiros usos de explosivos em actividades mineiras e de engenharia civil que foi colocado o problema dos efeitos nas edificações das vibrações dos terrenos e do ar originados pelas detonações. Sabe-se que a utilização destas substâncias é susceptível de provocar impactes vários de entre os quais se salientam, para além das solicitações dinâmicas referidas, a transmissão de ruídos pelo ar e pelas estruturas, a geração e o movimento de nuvens de poeiras, as ondas de choque resultantes dos níveis sonoros das detonações, a libertação de gases nocivos em espaços fechados, como é o caso dos túneis, e a afectação dos níveis freáticos. É do conhecimento geral que as vibrações dos terrenos causam desconforto humano e eventuais danos nas estruturas das edificações circundantes, pelo que, a importante questão relativa ao seu controlo, deverá contar com a envolvência de todos os agentes interessados, desde a população em geral, às entidades oficiais, aos investigadores e projectistas, aos fabricantes de explosivos, às empresas de construção e às seguradoras. Embora se assista à utilização crescente de métodos alternativos para o desmonte de maciços rochosos, como são os meios mecânicos (tuneladoras, roçadoras, retroescavadoras e martelos hidráulicos), verifica-se que estes ainda são, maioritariamente, realizados com recurso a explosivos. Os impactes ambientais provocados pelo uso desta tecnologia, considerando os requisitos de protecção ambiental cada vez mais restritivos, obrigam os intervenientes nesta actividade a melhorar continuamente a qualidade do seu trabalho e a abandonar as práticas empíricas, visando a minimização de danos e reclamações dos residentes e proprietários de edifícios localizados nas imediações dos trabalhos. Um dos objectivos do presente trabalho é o de fazer uma abordagem ao tema da geração e propagação de ondas sísmicas causadas pelo uso de explosivos no desmonte de maciços rochosos, especialmente no que diz respeito ao controlo das vibrações daí resultantes e sua influência nas construções. 1

20 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas O estudo que ora se apresenta teve a sua génese num trabalho realizado pelo Núcleo de Geologia de Engenharia e Geotecnia Ambiental do Departamento de Geotecnia do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), com a participação do autor, no âmbito da construção do empreendimento A4/IP4 Amarante/Vila Real, a solicitação do Agrupamento Complementar de Empresas Infratúnel, Construtores do Túnel do Marão, ACE, na sequência de algumas reclamações de residentes em povoações circundantes do emboquilhamento nascente do túnel, relacionadas com a alegação de incomodidade e de danos nas habitações devidos às vibrações originadas pelo uso de explosivos nas actividades de escavação do maciço rochoso Objectivos e organização do estudo A conjugação dos resultados obtidos através da realização da medição de vibrações, em diferentes locais e em momentos distintos, com dois métodos de prospecção geofísica, de refracção sísmica e de resistividade eléctrica, pretende-se fazer a caracterização geodinâmica de terrenos e validar o preceituado na regulamentação portuguesa (NP 2074, 1983), acerca da influência, sobre as estruturas, das vibrações resultantes do uso de explosivos na escavação subterrânea de maciços rochosos. A presente dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos. No Capítulo 1, é feito o enquadramento do tema e abordam-se os objectivos a alcançar. No Capítulo 2, apresenta-se o estado da arte no que concerne ao estudo dos impactes ambientais associados às actividades de escavação de rochas com explosivos, com destaque para as vibrações em obras geotécnicas, mercê dos numerosos estudos e trabalhos experimentais realizados um pouco por todo o mundo. É ainda abordada alguma da normalização internacional de referência no âmbito dos critérios de dano estrutural para as vibrações. No Capítulo 3, descrevem-se, sucintamente, dois métodos de prospecção geofísica, de Refracção Sísmica e de Resistividade Eléctrica, que visam principalmente a determinação da estrutura subsuperficial dos terrenos, através da análise das magnitudes das velocidades de propagação das ondas sísmicas e suas variações, assim como da resistividade eléctrica dos terrenos. 2

21 Capitulo 1 - Introdução No Capítulo 4, apresenta-se o caso de estudo, no âmbito do trabalho levado a efeito sobre as eventuais influências ambientais do emprego de explosivos no desmonte subterrâneo de maciços rochosos, com especial incidência na segurança das estruturas à superfície. Os resultados das três campanhas de medição de vibrações serão confrontados com os obtidos pela execução de perfis sísmicos, com o propósito de completar o conhecimento da litologia presente em cada local, visando simultaneamente uma aplicação mais adequada dos parâmetros constantes na NP 2074, nomeadamente quanto às características dos terrenos de fundação das edificações monitorizadas no decurso das duas primeiras campanhas de trabalhos de campo. Finaliza-se com a obtenção de equações de propagação de vibrações para os terrenos locais, a partir dos registos sismográficos dos eventos vibratórios gerados pela detonação de explosivos nas operações de escavação dos túneis do Marão. No Capítulo 5, resumem-se e discutem-se as principais conclusões do estudo, tendo por base os trabalhos realizados. 3

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23 2. O Impacte Ambiental das Vibrações A necessidade da realização de estudos de impacte ambiental (EIA) é hoje em dia essencial nos vários domínios das actividades da engenharia, como um pré-requisito com vista à implementação de um desenvolvimento sustentável. A sociedade contemporânea requer que todas as acções potencialmente perturbadoras do meio ambiente sejam cuidadosamente analisadas com antecedência, para que as autoridades responsáveis possam aprovar e licenciar os projectos, a fim de cumprir com a legislação vigente (Dinis da Gama, 2002). Existe abundante legislação, por meio da qual todas as organizações em causa podem ser informadas sobre as regras a seguir, as etapas do processo de licenciamento e as restrições de tempo associadas. De acordo com cada área específica de actividade, existem regras detalhadas para cumprir e listas de verificação em ordem à produção do necessário EIA. Para a indústria de construção pesada, incluindo a mineira, Kiely (1997), citado por Dinis da Gama (2002), refere a seguinte lista de rubricas cuja inclusão considera importante nesses relatórios: Revisão da documentação existente relativa ao local em estudo, sobre as questões da topografia, geologia, uso da terra e enquadramento sócio-político; Desenvolvimento de pesquisas de base ambiental para caracterização das condições naturais, visando a avaliação dos impactes induzidos pelo projecto; Descrição das actividades do projecto proposto, com ênfase nos efeitos esperados na região, nomeadamente os ambientais, tais como a poluição do ar, a qualidade da água, superficial e subterrânea, a fauna, a flora, o património histórico, bem como as populações afectadas; Indicação dos procedimentos a implementar para a mitigação dos efeitos negativos, durante e após a implementação do projecto, com o objectivo de que todos esses impactes fiquem aquém dos limites legais estabelecidos, bem como a descrição das práticas destinadas a consegui-lo; Técnicas de Instrumentação e Monitorização a instalar, sempre que sejam detectadas anormalidades em algum descritor ambiental e proceder adequadamente à sua correcção; Apresentação de relatório/resumo não técnico do EIA. 5

24 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Uma parte significativa das obras de natureza geotécnica envolve a geração de vibrações provenientes de diversas fontes, as quais, na sua propagação através dos meios vizinhos, podem atingir uma multiplicidade de alvos onde se incluem os edifícios sensíveis, populações e muitos outros (Dinis da Gama e Paneiro, 2004). O uso de explosivos é geralmente inevitável nas actividades de escavação de rochas: na indústria extractiva, em túneis, estradas e obras hidráulicas. Grande parte destas infra-estruturas localiza-se perto de zonas residenciais, pelo que frequentemente ocorrem problemas ambientais causados pelas vibrações dos terrenos e pela onda aérea resultante das explosões. É, portanto, necessário, implementar a previsão, avaliação e eventual correcção com vista à mitigação dos seus efeitos no meio envolvente (Ozer, 2008). Como é geralmente admitido, a escavação de maciços rochosos com recurso a explosivos é influenciada por vários factores, tais como a geometria do furo, as propriedades mecânicas do maciço a desmontar, a carga a detonar e a distância ao ponto de recepção. Destes factores, alguns podem ser controlados pelos técnicos responsáveis pelos desmontes, enquanto outros são impostos por condicionalismos ambientais (Tshibangu e Lefebvre, 2008). A construção de túneis com o uso de explosivos em meios urbanos induz vibrações nos terrenos, podendo infligir danos nas estruturas envolventes quando a quantidade de explosivos usada é excessiva. Assim, a previsão dos níveis de vibrações em trabalhos desta natureza tem um papel importante na minimização dos impactes ambientais e, por conseguinte, nas queixas das populações vizinhas. Para o efeito, antes do começo das actividades, deverá ser feito um trabalho de relações públicas junto dos residentes locais, bem como proceder à realização de inspecções prévias do património edificado. Impõe-se ainda a realização de desmontes experimentais, com monitorização sismográfica, para determinar o modo de propagação das vibrações, procurando estabelecer uma relação entre a velocidade máxima de vibração das partículas e o quociente entre a distância fonte-recepção e a carga de explosivo a detonar num certo instante (retardo), constante nas várias equações de atenuação de vibrações da bibliografia da especialidade (Dowding, 1985, Hustrulid, 1999 e Kahriman, 2004). Nos anos mais recentes, um dos problemas com que os técnicos responsáveis em obra se têm confrontado relaciona-se com a propriedade ou a impropriedade das reclamações dos particulares quer individualmente, quer organizados (Felice, 1993 e Kahriman et al., 2006), referidos por Ozer (2008). O número destes casos, sejam os distúrbios reais ou psicológicos, tem vindo a aumentar gradualmente com o incremento da população e das urbanizações. Portanto, neste tipo de operações, deverá haver a preocupação dos responsáveis na procura da forma de minimizar, ou até mesmo eliminar este tipo de problemas, o que não é incompatível com os aspectos da economia e segurança dos projectos de escavação. Com o 6

25 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações incremento da legislação e das restrições nos níveis admissíveis de perturbações ambientais induzidas pelo uso de explosivos, há uma necessidade crescente do planeamento cuidadoso e preciso dos planos de fogo. Johnston e Durucan (1994) e Ozer et al. (2007), citados por Ozer et al. (2008), afirmam que um dos requisitos principais a alcançar com um plano de fogo bem dimensionado, especialmente em trabalhos de grande envergadura, passa pela determinação da quantidade máxima de explosivo por retardo (carga máxima a detonar por pega de fogo), para uma dada distância entre a fonte e os locais de observação, conseguindo-o realizar de forma controlada, com o propósito da minimização dos problemas ambientais. Por conseguinte, a determinação da quantidade de explosivo por retardo, para uma determinada distância, especialmente em grandes detonações, reveste-se de enorme importância na prevenção de problemas ambientais. Por isso, os efeitos das vibrações dos terrenos nas estruturas dos edifícios e no bem-estar das pessoas, devido ao uso de explosivos, deverão ser previstos, monitorizados e controlados pelos responsáveis pelos trabalhos de desmonte tendo em vista a sua optimização. Nas proximidades da fonte emissora, a vibração do solo pode causar danos a edifícios e outras estruturas originando tensões dinâmicas que excedem a resistência dos materiais de construção, identicamente ao que acontece na fractura da rocha em si mesma. Um edifício, sendo muito menos rígido do que o maciço rochoso, pode ser danificado mesmo a uma longa distância de uma explosão, ainda que o diagrama de fogo tenha sido cuidadosamente projectado. Hoje em dia, assiste-se a um número crescente de reclamações em torno das vibrações ambientais, principalmente em edifícios com pouco amortecimento*, nos quais as vibrações sensíveis e o ruído estrutural surgem mais facilmente. As vibrações sensíveis (sensibilidade humana a baixos níveis de vibração) são, geralmente, segundo Azevedo e Patrício (2003), tidas pelos residentes como os agentes causadores das fendas nos revestimentos das suas habitações. Estas queixas são, na sua generalidade, injustificadas, já que estes danos são vulgarmente devidos a assentamentos diferenciais das fundações, a variações térmicas ou à retracção dos materiais (designadamente os de revestimento). Ainda segundo os mesmos autores, embora actualmente em Portugal haja uma, cada vez maior, consciencialização dos organismos estatais e das grandes empresas de obras públicas, quanto à necessidade da previsão dos impactes ambientais, particularmente na construção de *Genericamente, pode considerar-se que as edificações mais recentes, com estrutura em betão armado, embora transmitam melhor as solicitações, amortecem pior as vibrações do que as mais antigas, dada a sua elevada rigidez e monolitismo. Analogamente, mas em sentido oposto, as construções e monumentos antigos apresentam uma maior sensibilidade às vibrações (Azevedo e Patrício, 2003). 7

26 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas empreendimentos onde ocorre o uso de explosivos, na maioria dos casos os projectos de obras particulares dos edifícios ou das instalações mecânicas, quando existem, não prevêem as vibrações que poderão vir a ocorrer. Sendo assim, referem a necessidade da adopção das seguintes medidas: Sensibilização dos cidadãos em geral, e dos promotores de empreendimentos, da imprescindibilidade da previsão e controlo das vibrações ambientais, fazendo a divulgação dos valores admissíveis de incomodidade e de dano estrutural; Promoção do aperfeiçoamento e publicação das normas respeitantes a incomodidade humana e danos, acompanhados da publicação de regulamentação que exija a sua aplicação; Desenvolvimento de dispositivos de medição de vibrações, com a possibilidade da transmissão das medições à distância, económicos e de simples manuseamento. Em todo o mundo têm vindo a desenvolver-se investigações e estudos em torno das vibrações, nos seres humanos e nas estruturas. Estes trabalhos científicos contribuíram para o surgimento, desde o final da década de 70, de Normas Regulamentadoras, hoje em dia de aplicação corrente. Algumas das mais importantes serão referidas mais adiante neste Capítulo. Em Portugal, a realização de escavações com recurso a explosivos nas proximidades de edifícios residenciais e outros, no que respeita à prevenção de danos provocados pelas vibrações ocorrentes, é regulamentada pela Norma Portuguesa 2074, vigente desde 1983, que estabelece, embora de modo conservador, os limites de vibração aceitáveis. Esta norma fixa um valor limite da velocidade de vibração das partículas, expressa no seu valor máximo (pico), em cm/s, como um produto de três factores onde são contemplados o tipo de terreno de fundação, o tipo de construção e o número de solicitações diárias. Os valores medidos são comparados com aquele critério de segurança, não podendo ser-lhe superiores sob pena de ocorrerem danos nas estruturas vizinhas da fonte emissora das vibrações. Tem vindo a ser discutida a necessidade da revisão desta norma, existindo alguns projectos de revisão, a que se fará alusão ainda neste Capítulo. 8

27 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações 2.1. Considerações gerais Pode definir-se vibração como sendo um movimento oscilatório de um material, sólido ou fluído, que foi afastado da sua posição de equilíbrio. Em Geotecnia, a vibração traduz-se numa resposta elástica do terreno, constituído por solos e/ou rochas, à passagem de uma onda de tensão, com origem directa ou indirecta numa solicitação dinâmica, de génese natural, por exemplo os sismos, ou artificial, explosões, cravação de estacas, etc. (Bernardo e Dinis da Gama, 2006). Na origem, as vibrações resultam da aplicação aos terrenos de forças exteriores com um tempo de actuação muito curto, ou de forças aplicadas de forma contínua, mas com intensidade muito variável ao longo do tempo. Segundo Sarsby (2000), as vibrações dos terrenos podem ser classificadas em três grupos: Contínuas quando um nível de vibração aproximadamente constante é mantido por um longo período de tempo (caso dos maciços de fundação de máquinas de regime alternativo, tais como bombas ou compressores, em funcionamento regular); Transitórias se os níveis de vibração resultam de um impacto súbito, seguido de um tempo de repouso relativamente prolongado (caso dos terrenos submetidos a compactação dinâmica ou a detonação de cargas explosivas isoladas); Intermitentes se se verificar uma sucessão de eventos vibratórios, cada um dos quais de pequena duração (caso da detonação de cargas explosivas microretardadas ou perfuração por percussão). De um modo geral, as normas contemplam apenas as vibrações contínuas e transitórias, designando-as por vibrações continuadas e impulsivas, respectivamente. Por exemplo, a ISO 4866 (1990), relativa a edifícios, distingue esses dois grupos pela duração da solicitação relacionando-as com a taxa de amortecimento relativo do edifício em apreço. Para além das detonações de cargas explosivas, um grande número de eventos é susceptível de induzir um tipo de resposta idêntica nos terrenos. A consideração de outras fontes na origem do fenómeno assume particular importância quer para a análise de situações em que se verifique uma acumulação de efeitos, quer no estabelecimento da situação de referência apropriada para a avaliação dos impactes causados pelas detonações (Bernardo, 2004). Os sismos, o desmonte de maciços rochosos, a cravação de estacas, a exploração de pedreiras, a demolição de edifícios (particularmente com explosivos) e o deslizamento súbito de massas rochosas ao longo de falhas geológicas são fontes tradicionais de solicitações dinâmicas. Esta acumulação de fontes conduz à presença e importância crescente das vibrações mecânicas como factor de degradação ambiental, com implicações a nível da 9

28 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas incomodidade para as pessoas e causa de danos no património arquitectónico itectónico e paisagístico (Bernardo, 2004). Na Figura 2.1 observa-se se um gráfico bilogarítmico que mostra a ordem de grandeza das vibrações provenientes de equipamentos e actividades envolvidos na realização da maioria dos trabalhos de construção. Figura 2.1 Velocidade vibratória de acções características em função da distância (adaptado (adaptado de Sarsby, 2000, in Bernardo, 2004) Por outro lado, o desenvolvimento tecnológico a que tem vindo a assistir-se assistir nos últimos anos, bem como a necessidade crescente de conforto das pessoas têm levado ao aumento das fontes geradoras de vibrações. vibrações A maquinaria e os equipamentos pesados motorizados têm vindo a registar gistar aumentos na sua potência quer nos estaleiros de obras, quer nas instalações industriais. Nos edifícios de habitação e de serviços multiplicam-se se os sistemas de ventilação e de ar condicionado, de refrigeração, de bombagem de água e de geração e aproveitamento apro de energia. Nos grandes aglomerados urbanos assiste-se assiste se ao aumento continuado das redes de tráfego rodoviário e ferroviário, com veículos e composições por vezes de grande tonelagem. Nas povoações, o tráfego pesado circula junto a habitações, monumentos, monumentos, hospitais e instalações que albergam equipamentos extremamente sensíveis. Em instalações industriais recentes coexistem, num único edifício, áreas de fabrico, de escritórios e de lazer laze (Azevedo e Patrício, 2003). As vibrações são a causa mais comum dos receios e protestos das populações residentes em torno das zonas de trabalhos de escavação com uso de explosivos, pois o limiar da percepção 10

29 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações humana, sujeito à susceptibilidade de cada indivíduo, pode atingir valores da ordem dos 0,3 mm/s*. Esta susceptibilidade está, muitas vezes, na origem de reclamações das pessoas que, ao percepcionar as acções impulsivas, atribuem desde logo a esses trabalhos a totalidade dos danos e patologias nas suas habitações, ainda que os níveis vibratórios daí resultantes fiquem consideravelmente aquém dos limites máximos admissíveis, preconizando outros fenómenos na génese daqueles problemas (Bernardo, 2010) Escavação com uso de explosivos A escavação de rochas, utilizando substâncias explosivas, foi sempre considerada uma arte, formada a partir da experiência e habilidade dos operadores. Nos dias de hoje, o uso de explosivos civis em obras geotécnicas, com disposições legais cada vez mais restritivas, é já uma técnica fundamentada em procedimentos científicos, baseados nos princípios da Mecânica das Rochas, que têm possibilitado um melhor conhecimento da acção dos explosivos nos maciços rochosos, em função dos seus mecanismos de ruptura e respectivas propriedades geomecânicas. A anulação, ou simplesmente a mitigação, dos impactes ambientais com origem nas detonações, exige o estabelecimento criterioso dos parâmetros do diagrama de fogo adoptado, quer em trabalhos à superfície, quer subterrâneos. No diagrama de fogo devem ser definidas todas as actividades a realizar nas frentes de escavação e respectivas cargas a aplicar, considerando as restrições ambientais aplicáveis, com o objectivo de proceder à escavação de uma rocha dura (em termos de que não permite, em tempo útil, e a custo aceitável, a escavação por processos mecânicos). Usualmente, são também designados por disparos ou pegas de fogo e compreendem o conjunto de furos carregados com explosivos (conhecidos por tiros), com uma sequência de rebentamento determinada para funcionar como um conjunto (Bernardo, 2003, in Bernardo e Torres, 2005). Os diversos métodos para o dimensionamento dos diagramas de fogo, aplicados em desmontes subterrâneos, em termos dos procedimentos e das expressões usadas no cálculo dos vários parâmetros, encontram-se descritos na bibliografia específica (Langefors e Kihlstrom, 1963, Holmberg, 1982, Hartman, 1987 e outros, in Louro, 2009). Por não se enquadrar no âmbito do presente estudo, não se afigura pertinente uma abordagem mais detalhada desta problemática. * Outras actividades há, no entanto, que apresentam valores de velocidades vibratórias muito superiores. Em alguns casos, atingem mesmo os limites impostos pela legislação aplicável, como sejam certas actividades domésticas e pequenas obras de reparação ou remodelação (Stagg et al., 1984, referidos por Dowding, 1992, citados por Bernardo, 2004). São exemplos dessas actividades, e das respectivas afectações, o caminhar numa laje entre pisos (0,8 mm.s -1, análoga às máximas afectações atribuídas ao trânsito), o saltar energicamente sobre uma laje (7,1 mm.s -1 ), o bater vigoroso de portas, por acção de correntes de ar (12,7 mm.s -1 ) ou o pregar um prego numa parede (22,4 mm.s -1 ). 11

30 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas 2.3. Geração de vibrações Geralmente, um desmonte de rocha é obtido pela detonação de explosivos colocados em vários furos, criteriosamente dispostos, com ligações entre si retardadas em milissegundos (micro-retardos) mas explodindo numa rápida sucessão. Simultaneamente, as transformações físico-químicas do explosivo dão origem a gases com elevada temperatura exercendo também elevada pressão sobre as paredes do furo, a qual diminui pelo efeito da expansão da cavidade onde estavam contidos (Esteves, 1993). Dinis da Gama e Torres (2002) referem temperaturas entre e 2 500ºC e pressões entre 10 e 40 GPa. A detonação ou deflagração do explosivo provoca o desenvolvimento de intensas acções quase instantâneas de deformação dos maciços, originando a sua ruptura na vizinhança da explosão, desencadeando-se a propagação de ondas de tensão sob a forma radial. O campo de tensões assim criado propaga-se sob a forma de ondas de vibração que serão elásticas a partir de determinado afastamento da carga de explosivo (Esteves, 1993). No seu movimento, as ondas encontram descontinuidades e zonas de interfaces geológicas, pontos onde parte da energia é transmitida e outra parte é reflectida. Durante, e após a propagação das ondas de tensão, as altas pressões e temperaturas dos gases formados provocam extensões radiais nas descontinuidades, fracturas e juntas, sendo que a energia do explosivo toma sempre o caminho das zonas de menor resistência. Uma vez consumada a separação entre a rocha fracturada e o maciço remanescente, não ocorrem mais fracturas porque a pressão dos gases vai diminuindo. Todo este processo ocorre num curto intervalo, da ordem dos milissegundos, após a detonação. A energia não utilizada no processo de fracturação do maciço rochoso é desperdiçada, dissipando-se sob a forma de vibrações e onda aérea e, nas detonações em meios aquáticos, através do efeito watershock. Com o afastamento da fonte de energia a vibração vai-se atenuando, fenómeno designado por atenuação sísmica (Lucca, 2003). O fenómeno da vibração é de uma grande complexidade como ilustrado na Figura 2.2, relativa às ondas geradas pela cravação de uma estaca. Figura 2.2 Componentes vibratórias geradas na cravação de uma estaca (Sarsby, 2000, adaptado por Dinis da Gama, 2003, in Bernardo, 2004) 12

31 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Segundo Sarsby (2000), a intensidade das vibrações procedentes desta operação, assim como de outras semelhantes, varia com certas propriedades do equipamento, nomeadamente as características do martelo e vibrador, a deformação do encabeçamento da estaca, a distorção elástica da estaca e a velocidade de penetração no terreno. Segundo Holmberg (1982), citado por Bernardo (2004), os fenómenos de rotura da rocha, por acção dinâmica, exigem velocidades vibratórias entre 700 a 1000 mm/s (Hustrulid, 1982, in Bernardo, 2004), podendo afirmar-se que os impactes ligados às vibrações, decorrentes da escavação de maciços rochosos, são essencialmente devidos aos desmontes com explosivos, sendo que, em termos comparativos, as vibrações devidas aos equipamentos são menos importantes (Bernardo, 2004). A detonação de explosivos em maciços rochosos é caracterizada fundamentalmente pela geração de ondas de tensão compressivas resultantes da refracção da onda de choque, proveniente da detonação do explosivo, nas paredes do furo onde é aplicado A propagação ondulatória originada movimenta-se através dos terrenos com uma determinada velocidade que é característica de cada tipo de maciço, a qual tem pouco a ver com as tensões dinâmicas transportadas pela onda, as quais dependem dos deslocamentos oscilatórios sofridos pelas partículas de terreno, relativamente à posição em repouso, à medida que a perturbação se propaga (Dinis da Gama, 2003). A propagação destas ondas (Figura 2.3) provoca a vibração* das partículas do meio atravessado, função das características de deformabilidade e da geometria do meio e do tipo de impulso, com amplitudes vibratórias que dependem, de acordo com Dinis da Gama (2003), dos seguintes factores: Quantidade de energia libertada no fenómeno que as ocasionou; Distância entre a origem e o ponto onde se registam os seus efeitos; Propriedades transmissoras e dissipadoras dos terrenos envolvidos; Resistência dinâmica das estruturas e dos seus componentes mais frágeis. A sua amplitude vai decaindo com a distância à fonte e com as reflexões registadas no seu trajecto e eventuais fronteiras entre meios de impedância acústica diversa. * Entende-se por velocidade vibratória das partículas, a variação, no tempo, dos deslocamentos oscilatórios sofridos pelas partículas de terreno à medida que a onda de tensão se propaga. As componentes do movimento vibratório das ondas, segundo as três direcções espaciais, revestem-se de uma importância fundamental, na medida em que, na realidade, os problemas se apresentam à escala tridimensional. Por esta razão, os sismógrafos actuais individualizam essas componentes: longitudinal, transversal e vertical (Figura 2.3). 13

32 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura 2.3 As três componentes de vibração no interior de um maciço submetido à detonação de uma carga explosiva (Dinis da Gama, 2003) Ondas de Tensão As ondas de tensão dividem-se em dois tipos (Figura 2.4): ondas volumétricas: ondas longitudinais de compressão ou dilatação (ondas P) e ondas transversais (ondas S); ondas superficiais: ondas Rayleigh (ondas R) e ondas Love (ondas L). Figura 2.4 Ondas sísmicas (adaptado de Smoltczyk, 2002, in Bernardo, 2004) 14

33 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações As ondas volumétricas propagam-se através do terreno, radialmente, a partir da fonte geradora das vibrações. Os restantes tipos, representados esquematicamente na Figura 2.5, dependem de interfaces, entre meios distintos, para se propagar (Bernardo, 2004). Figura Ondas de tensão (Bernardo, 2004) Segundo Kuzmenko et al., (1993), na vizinhança dos locais de escavação com explosivos as ondas volumétricas são predominantes, caracterizando-se por apresentar frequências relativamente elevadas (10 a 40 Hz) e rápida atenuação, comparativamente às restantes. As ondas superficiais (ondas R e ondas L), embora com uma velocidade inferior à das ondas volumétricas, apresentam frequências reduzidas (2 a 8 Hz), fazendo sentir-se a grandes distâncias devido à maior quantidade de energia que transportam (Konya e Walter, 1990, in Bernardo, 2004). As ondas longitudinais (ondas P), na sua propagação através dos terrenos, originam compressões alternadas com dilatações, designando-se, por isso, por ondas de compressão ou de dilatação sendo responsáveis pela modificação do volume em todas as massas rochosas, independentemente da sua resistência ao corte (Bernardo, 2004). A velocidade de propagação ( ) destas ondas no solo depende do seu tipo, módulo de elasticidade (E) e massa específica (ρ), através da equação 2.1 (referida por Azevedo e Patrício, 2003). / (2.1) A deformação ( associada à propagação de uma onda P, num determinado meio, relacionase com a velocidade das partículas,, pela expressão: 15

34 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas / (2.2) As frequências relevantes, nas ondas que se propagam através dos terrenos, apresentam uma grande variedade e dependem do modo de excitação que as originou, podendo variar entre 2 e 100 Hz, enquanto, na proximidade de uma explosão, em solos rochosos muito competentes (rijos), a velocidade de vibração das partículas pode incluir frequências superiores a 100 Hz (Azevedo e Patrício, 2003). As ondas transversais (ondas S) propagam-se dando origem a movimentos de corte, daí serem designadas por ondas de corte, alterando os materiais atravessados na sua forma, mas não em volume. A sua velocidade de propagação (Equação 2.3), é inferior à das ondas longitudinais, mas superior às ondas de superfície (Kuzmenko et al., 1993, in Bernardo, 2004). 2 1 (2.3) onde, é a massa volúmica do terreno,, o seu coeficiente de Poisson e o módulo de distorção. As ondas de Rayleigh (ondas R) provocam, simultaneamente, a dilatação e a distorção do meio na medida em que incluem um movimento longitudinal (dilatação) idêntico à onda P e um movimento transversal (distorção) idêntico ao da onda S. Assim, a combinação das duas componentes origina um movimento das partículas superficiais, segundo uma órbita elíptica num espaço bidimensional e uma órbita elíptica distorcida num espaço tridimensional (Smoltczyk, 2002, in Bernardo, 2004). As ondas de Love (ondas L) manifestam-se entre interfaces geológicas sub-horizontais, ou seja, em camadas, assumindo com frequência a designação de ondas guiadas. O movimento das partículas é horizontal e perpendicular à sua direcção de propagação, é um movimento de corte. A sua velocidade de propagação é superior à das ondas de Rayleigh (Sleep e Fujita, 1997, in Bernardo, 2004). As tensões dinâmicas de cada onda dependem dos deslocamentos oscilatórios experimentados pelas partículas de solo, relativamente à sua posição em repouso, à medida que a perturbação se propaga. A variação desses deslocamentos no tempo é denominada por velocidade vibratória. Existem diversos factores responsáveis pela variação da velocidade de vibração, havendo a destacar os seguintes: condições geológicas, diferenças 16

35 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações nos tipos de explosivos, diferentes tipos de ondas e diferenças na geometria das explosões, tais como erros nos tempos de detonação e de medição (Vuolio, 1990). Os vários tipos de ondas são ainda caracterizados pelas suas diferentes velocidades de propagação. As ondas P são as que apresentam maior velocidade, as ondas S são consideravelmente mais lentas e as ondas R são ainda um pouco mais lentas do que as ondas S. A velocidade da onda é função das propriedades elásticas do material. Para longas distâncias da fonte, as ondas R frequentemente apenas se distinguem devido às suas características de muito menor atenuação. Os parâmetros caracterizadores das ondas sísmicas anteriormente apresentadas são os indicados na tabela seguinte: Tabela Parâmetros das ondas sísmicas (Bernardo, 2004, adaptado de Sleep e Fujita, 1997) Parâmetro Abreviatura Unidade (S.I.) Significado Amplitude (de um ciclo i) A i [m] Deslocamento δ [m] Magnitude da afectação de uma partícula, a partir da sua posição de repouso (pode ser expressa sob a forma de um deslocamento, de uma velocidade ou de uma aceleração) Espaço percorrido por uma partícula, quando excitada pela onda Amplitude Velocidade de vibração [m. s -1 ] Aceleração a [m. s -2 ] Deslocamento das partículas, causado pela passagem da onda, por unidade de tempo Variação da velocidade das partículas, por unidade de tempo Período T [s] Comprimento de onda λ [m] Tempo necessário para completar um ciclo ou oscilação (referencial: δ' vs tempo) Comprimento de um ciclo completo (referencial: δ vs distância) Frequência f [Hz] Número de ciclos por segundo 2.4. Propagação de vibrações Nas interfaces entre os diferentes meios (por exemplo entre o solo e o ar, entre o solo e a água ou ainda entre camadas de características elásticas diversas), desenvolvem-se diferentes tipos de ondas superficiais. Sabe-se que apenas uma pequena parte da energia transmitida aos terrenos é convertida em energia sísmica. Dinis da Gama (1998) estima que apenas cerca de 5 a 15% da energia libertada pelas detonações de explosivos em rocha é efectivamente usada 17

36 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas na fragmentação. A percentagem mais significativa é transmitida ao ambiente, podendo causar impactes consideráveis. Segundo Sarsby (2000), em qualquer ponto do maciço circundante, o movimento máximo das partículas postas a vibrar é devido apenas a uma das componentes e não à energia total da onda, sendo que a que tem, geralmente, maior importância é a componente vertical. Vuolio (1990) partilha da mesma opinião, ao referir que os dados coligidos entre 1970 e 1989 mostram que, na prática, é a componente vertical que contribui maioritariamente para a velocidade de pico de partícula (PPV). A desigualdade na distribuição da energia faz com que a velocidade vibratória decresça de forma irregular com a distância percorrida, pelo que, na prática, a atenuação da sua amplitude é determinada a partir dos valores de pico resultantes das três componentes principais (longitudinal, transversal e vertical). Identicamente às vibrações no terreno, na onda aérea o nível de pico da sobrepressão é função do peso da carga de explosivo por retardo e da distância fonte-recepção. Ao contrário daquelas, a pressão do ar pode ser descrita completamente com apenas um transdutor, pois, em qualquer ponto, é igual nas três direcções ortogonais (Mohamed, 2010). Os factores determinantes na redução das vibrações com a distância são (Figura 2.6), ainda de acordo com Sarsby (2000), in Dinis da Gama (2003): a expansão geométrica das ondas; a progressiva separação das três componentes, longitudinal, transversal e vertical; a presença de descontinuidades nos maciços (causando reflexões, refracções, difracções e dispersões); o atrito interno dinâmico característico das rochas. Figura Atenuação das vibrações com a distância (Jimeno et al., 1995) Contudo, na realidade, as ondas nem sempre se atenuam com a distância. Por exemplo, em meios estratificados, e se a sua geometria o favorecer, as ondas podem concentrar-se ou 18

37 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações sobrepor-se a outras reflectidas, chegando a medir-se maiores valores de amplitude da vibração em pontos sucessivamente mais afastados (Azevedo e Patrício, 2003) Efeitos e controlo das vibrações As vibrações, quer as originárias da escavação de rochas com explosivos, a céu aberto ou subterrâneas, quer as provocadas por equipamentos mecânicos, os mais diversos, poderão constituir um impacte ambiental pela possibilidade de causarem danos estruturais em edificações próximas e serem causa de incomodidade para as pessoas afectadas. Estes movimentos vibratórios implicam a transmissão de solicitações dinâmicas que poderão ser destrutivas para as próprias formações geológicas, compostas por falhas, diaclases, massas rochosas e solos, onde assentam as fundações de edifícios e túneis subterrâneos. O controlo destes impactes é, por isso, essencial, visto que as vibrações têm efeitos nocivos para as obras de engenharia e para as pessoas. Sabe-se ainda que, mesmo os níveis mais baixos de vibração são susceptíveis de causar um grande desconforto com efeitos negativos para a saúde humana, pelo que não devem exceder os valores máximos admissíveis estabelecidos na normalização internacional, cuja referência mais importante é a ISO 2631 (Dinis da Gama e Barroso, 2005). Dowding (1996) propõe, para a avaliação do efeito das vibrações produzidas por detonações em estruturas, as três etapas seguintes: a estimativa do movimento do terreno produzida pela explosão nas proximidades da estrutura; a análise para avaliar a resposta da estrutura ao movimento do terreno; o estabelecimento de limites toleráveis para a resposta estrutural para evitar danos. Estas mesmas três etapas de avaliação também são consideradas no dimensionamento das estruturas para resistir aos sismos e na concepção de estruturas para resistir aos efeitos do movimento do terreno produzido por explosões nucleares. Os princípios de análise necessários para avaliar os efeitos de vibrações causadas pela detonação de explosivos, sismos e explosões nucleares sobre as estruturas são idênticos; as únicas diferenças são as amplitudes relativas à aceleração do solo, a velocidade das partículas e o deslocamento, bem como a frequência com que estes movimentos ocorrem. Embora a abordagem da dinâmica estrutural seja obviamente utilizada na concepção das estruturas, de protecção e anti-sismícas, a avaliação dos efeitos das actividades de construção ou mineiras nas proximidades de 19

38 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas estruturas existentes desenvolveu-se a partir de correlações empíricas entre o dano observado e a velocidade vibratória de pico das partículas do solo (Dowding, 1996, Preface by Hendron). Azevedo e Patrício (2003) classificam os efeitos das vibrações nos seguintes três grupos, por ordem crescente de gravidade e irreversibilidade dos danos: funcionamento deficiente de equipamentos sensíveis (em hospitais, laboratórios, e até em habitações); incomodidade para as pessoas, originando receios e, por consequência, reclamações*; danos nas estruturas (em particular nos edifícios e monumentos antigos) e nos maciços remanescentes em operações de escavação. Mesmo devidamente concebidos, os planos de fogo podem projectar pedras e rochas através do ar e causar danos às propriedades vizinhas. Uma projecção excessiva pode ser devida ao deficiente preenchimento dos furos com explosivo ou ao atravessamento de zonas fracturadas. Segundo Correia (2003), os efeitos das vibrações nas estruturas não dependem apenas da distância à fonte emissora e do tipo de estrutura, mas igualmente de outros factores, de entre os quais sobressai a litologia dos terrenos de fundação onde as estruturas assentam, visto os efeitos locais serem prevalecentes. As condições geotécnicas num determinado local podem alterar de forma muito importante as características fundamentais dos movimentos sísmicos, nomeadamente as consideradas como mais relevantes do ponto de vista da engenharia sísmica: amplitude, conteúdo de frequências e duração. Através de vários exemplos, esse facto tem sido inequivocamente comprovado por intermédio de registos experimentais, num mesmo evento, de movimentos sísmicos em locais próximos mas com características geotécnicas diferenciadas. Mesmo antes de se ter iniciado o registo instrumental de movimentos sísmicos já existiam registos históricos relativos à abundante constatação empírica da influência das condições geotécnicas locais, tendo sido muitas vezes observado um acréscimo muito significativo dos efeitos destruidores de grandes sismos em locais onde os terrenos superficiais são constituídos por solos brandos. * Várias precauções podem e devem ser tomadas para minimizar, ou até mesmo evitar, a propagação da onda aérea resultante das detonações. Mesmo considerando que se trata de um mal necessário, é importante lembrar que as boas relações com os vizinhos são provavelmente o seguro mais eficaz contra as reclamações. Um residente local que esteja devidamente informado sobre as operações e sobre os seus benefícios para a zona, e para a sociedade em geral, é muito menos provável que reclame dos incómodos causados pelo ruído excessivamente alto provocado por uma explosão (Persson et al., 1994). 20

39 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações A figura seguinte ilustra a diferença dos efeitos das vibrações em dois edifícios, equidistantes de uma detonação, um fundado em rocha e outro em solo. Figura 2.7 Efeito da litologia do terreno de fundação nas velocidades vibratórias, em duas estruturas equidistantes de uma detonação (modificado de Jimeno et al., 1995, in Paneiro, 2006) Segundo Bernardo e Dinis da Gama (2006), demonstra-se que, se a velocidade vibratória que atinge o edifício fundado em rocha for, que se considera igual à velocidade emitida pela detonação (igualmente em rocha), a velocidade vibratória que atinge o edifício fundado em solo (refractada na interface geológica), é dada pela expressão seguinte: , (2.4) sendo,, a velocidade de vibração das ondas no solo, a velocidade de propagação das ondas no solo,, a densidade do solo,, a velocidade de propagação das ondas em rocha,, a densidade da rocha e, a impedância de onda que, neste caso é dada por: (2.5) A obtenção desta igualdade permite concluir que, para as mesmas cargas detonadas às mesmas distâncias, as formações geológicas mais atenuadoras das amplitudes das ondas provocam maiores velocidades vibratórias do que as formações menos dissipadoras de energia vibratória. Esta contradição aparente resulta do tipo de relação entre as velocidades de vibração e as tensões dinâmicas (Equação 2.6)... (2.6) 21

40 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Por esta razão, as litologias com maior capacidade de atenuação apresentam, simultaneamente, menores valores de impedância (. ), o que justifica porque é que naqueles terrenos as tensões dinâmicas ( ) se atenuam mais rapidamente, embora não aconteça o mesmo para as velocidades vibratórias ( ) (Bernardo e Dinis da Gama, 2006). Embora os efeitos nefastos que as vibrações podem causar em estruturas estejam limitados pelos critérios de dano estrutural (valor de pico da velocidade vibratória de partícula), consignados na NP 2074 de 1983, pode adoptar-se, na ausência de estudos específicos, uma metodologia empírica que passa pela realização de desmontes experimentais para cada tipo de maciço, devidamente instrumentados e visando o registo das vibrações ocorrentes. Estes ensaios, ao possibilitarem o conhecimento da amplitude da velocidade de partícula, expressa em função do peso de explosivo e da distância, permitem, através desta relação, o cálculo da amplitude noutras condições, para o mesmo tipo de formação geológica. Simultaneamente, permitem optimizar o plano de fogo, consubstanciado nas variáveis determinantes no processo: carga de explosivo por furo, número de furos e de retardos, carga máxima instantânea e distância (Bastos, 1998). Uma vez conhecida a amplitude da velocidade de partícula, é possível prever com algum rigor os efeitos causados por uma detonação em estruturas vizinhas, através da utilização das relações empíricas entre a grandeza das vibrações e os danos físicos que podem provocar. Estas relações, usadas no sentido inverso, são susceptíveis de dar informação acerca das cargas máximas a detonar num desmonte, tendo em vista a protecção de edificações próximas dos prejuízos decorrentes de níveis de vibração excessivos. A análise das circunstâncias que originaram danos permite atribuir-lhes um grau de importância (em termos de segurança, precaução, perigo e colapso, por exemplo) que, conjugado com a quantificação das vibrações por intermédio de um parâmetro apropriado, visa estabelecer os critérios de dano estrutural (Dinis da Gama, 1998). Como se verá mais adiante, a generalidade das normas internacionais admite a correlação dos danos estruturais com a amplitude das ondas sísmicas. De entre as grandezas físicas que a caracterizam, são as velocidades vibratórias que melhor se ajustam a essa correlação (Dinis da Gama, 1998). Nos Estados Unidos, as pesquisas levadas a cabo pelo Bureau of Mines desde os anos 30 do século passado permitiram desenvolver métodos simples para classificar e resolver o problema das vibrações prejudiciais e, desde logo, concluíram que a velocidade de pico de partícula (PPV) era o descritor que poderia estar relacionado com a ocorrência de danos nas estruturas. Investigações desenvolvidas noutros países chegaram às mesmas conclusões, embora com ligeiras variações, sendo que todas as normas técnicas seguem as 22

41 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações recomendações daquele organismo (Anderson e Brinckerhof, 2008). Segundo Esteves (1993), esta constatação reveste-se de um grande significado, na medida em que os dados que lhe deram origem resultaram de trabalhos de investigação desenvolvidos independentemente uns dos outros, nos quais foram utilizados aparelhos de medida de variados tipos, e em locais diversos, para diferentes tipos de edifícios. O critério de segurança fundamentado na velocidade de vibração das partículas de terreno, hoje adoptado pela generalidade da comunidade internacional, parece aceitável, pois, como observado por Ambraseys e Hendron (1968), a máxima velocidade de vibração,, de uma partícula é proporcional à máxima deformação unitária,, de acordo com a equação 2.2 anteriormente apresentada, ε, onde C é a velocidade de propagação da vibração no terreno. Pode assim concluir-se que a velocidade de partícula é função da deformação do terreno, sendo, por isso, de admitir que esse parâmetro seja uma medida da deformação e dos danos observados numa estrutura fundada nesse terreno, quando se propaga uma onda de tensão. Langefors e Kihlström (1963), referidos por Esteves (1993), validam essas conclusões ao referirem o valor de 30 mms -1 como limite da velocidade vibratória para estruturas fundadas num solo com velocidade de propagação das ondas sísmicas longitudinais, ondas P, entre a ms -1 e ainda o valor de 110 mms -1 para estruturas fundadas em rocha, com velocidade de propagação das ondas P de a ms -1 (Tabela 2.2). A relação é praticamente constante nos três tipos de terreno, para cada patamar da velocidade de vibração. Tabela Danos em habitações implantadas em diferentes terrenos (Langefors e Kihlström, 1963, in Esteves, 1993) Natureza do terreno Areia, cascalho, silte Ardósia, calcáreos Granito, gnaisse, calcáreos duros, quartzitos arenosos, diabase Tipo de dano Velocidade de propagação C (ms -1 ) Não se observam fendas Velocidade de vibração (mms -1 ) Fendas insignificantes Fendilhação Grandes fendas 23

42 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Yang et al. (2008) consideram que, na análise das vibrações, um requisito básico é o de expressar a velocidade de pico de partícula (PPV), ou a aceleração de pico de partícula (PPA), como uma função da relação, que designam por escala-distância* (SD). Enquanto para um único furo carregado é simples determinar a contribuição do peso do explosivo e da distância no valor da vibração de pico, para um diagrama de fogo mais elaborado o processo é mais complexo. Na realidade, é grande o número de furos carregados que contribuem para o valor da vibração de pico (PPA ou PPV). No entanto, dados de campo obtidos em diferentes locais mostram que estes dois parâmetros apresentam uma forte correlação com o valor mínimo da relação, o que implica a existência de uma carga dominante para o valor da velocidade de pico de partícula num local específico de monitorização. Esta carga dominante é a que está associada com o valor mínimo de. (MSD). Consequentemente, para um determinado campo de observação, a distância e a carga de cada furo deverão ser verificadas para a correlação com a medição de vibrações. Então, o valor mínimo da escala-distância (MSD) pode ser definido como:,,, (2.7) onde, número total de cargas usadas num desmonte; distância entre a carga n e o ponto de registo; peso de explosivo da carga n. (Yang, 2007). Estes autores concluem assim que, quando a análise anterior é aplicada ao estudo das vibrações com geração a longa distância do local em monitorização, o valor de MSD é dado pela razão distância-carga correspondente à carga mais elevada. Actualmente, existe uma tendência no desenvolvimento de critérios de dano, de base mais científica, considerando duas vertentes: por um lado, tendo em conta as verdadeiras propriedades das estruturas e, por outro, a quantificação das vibrações em termos de tensões dinâmicas, conceitos de mais fácil tratamento do que acelerações, velocidades ou deslocamentos. Todavia, enquanto a implementação destas novas metodologias não tiver um carácter generalizado, continuam a utilizar-se os critérios empíricos convencionais (Dinis da Gama, 1998). *do inglês scaled distance (SD) 24

43 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Quando não existem registos de vibrações, pode usar-se, numa primeira aproximação, o critério de dano do USBM (United States Bureau of Mines), segundo o qual, a distância de segurança D (m), deverá relacionar-se com a carga de explosivo por retardo (Kg) através da relação (Dinis da Gama, 1998): 22,5. / (2.8) Esta expressão só deve ser aplicada na fase precedente das detonações iniciais e na falta de qualquer tipo de monitorização. Como referido anteriormente, a limitação dos níveis de vibrações é conseguida por intermédio do controlo da carga de explosivo a detonar, concomitantemente com a distância da explosão às edificações a proteger. Em complemento, deverão ser adoptadas outras disposições, tais como a adequação do tipo de explosivo à rocha a desmontar, as dimensões e geometria do furo, o tempo de retardo da detonação e ainda a frequência da vibração. A frequência pode ser prevista, para efeitos de dimensionamento dos esforços dinâmicos máximos a aplicar (por exemplo, através do cálculo das cargas explosivas máximas a usar por retardo) recorrendo a casos práticos relativos a situações idênticas ou através de um conjunto de cargas-teste, realizadas especificamente para o efeito. Dinis da Gama (2002) salienta que as equações de propagação estabelecidas na situação de referência (através da realização de detonações com cargas reduzidas de explosivo cargas-teste) são essenciais na previsão das magnitudes dos impactes ambientais quer no estabelecimento de factores de segurança com respeito pelos valores máximos admissíveis, no caso de edifícios sensíveis localizados nas proximidades, quer na definição de níveis de vibração aceitáveis para as pessoas, em ordem a acautelar reclamações dos habitantes locais. Na prática, a amplitude das vibrações, traduzida na velocidade de partícula, depende essencialmente de duas grandezas: o peso da carga explosiva detonada e a distância entre o ponto de detonação e o de medição. Na zona de interface ar/superfície do solo podem ocorrer efeitos de contorno complexos (Mohamed, 2010), dificuldades que restringem a análise teórica e a obtenção de uma lei de propagação, pelo que os investigadores se concentram em relações empíricas com base em medições de campo. Duvall et al. (1963), sustentados em trabalhos experimentais relativos à medição de velocidades máximas de vibração feitas em dezanove locais de pedreiras, estabeleceram a seguinte equação de vibração: 25

44 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas (2.9) onde, velocidade máxima de vibração das partículas; carga de explosivo por retardo; distância entre o ponto de detonação e o de monitorização à superfície;,, constantes que dependem das propriedades elásticas e das características estruturais do meio de propagação, determinadas através de correlações estatísticas. Mais tarde, em 1968, Ambraseys e Hendron, concluíram, da análise dimensional, que a velocidade,, é função da relação explosivo, por retardo, (equação 2.10) (Esteves, 1993). /, entre a distância,, e a raiz cúbica da carga de / [mms-1] (2.10) Medvedev (1968), nos seus trabalhos experimentais, obteve o valor de 1900 para a constante e de -1,5 para a constante, donde a expressão assume a forma seguinte: 1900 /, [mms-1] (2.11) Esta relação pode ainda ser apresentada sob a forma (Dinis da Gama, 1998):.. (2.12) onde, é a amplitude máxima resultante da velocidade de partícula (mms -1 ), é a carga máxima instantânea do diagrama de fogo (por sequência de disparo) (Kg), e é a referida distância (m). As constantes, e, que dependem das características do maciço, são determinadas, tal como na equação 2.9, por retroanálise através de correlações, com base nas leituras dos sismógrafos após a realização das primeiras pegas de fogo. Vários autores (por exemplo, Hustrulid, 1999, Dinis da Gama, 1998, Jimeno et al., 1995 e Holmberg, 1982), reconhecem que, actualmente, é esta equação, devida a Johnson (1971), a mais usada pela comunidade técnica e científica para definir a lei de propagação das vibrações nos terrenos, originadas por detonação de cargas explosivas (independentemente da sua forma geométrica, 26

45 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações localização e quantidade). Lamas et. al (2008) consideram que as leis empíricas de propagação, embora de utilização expedita e económica, apresentam algumas desvantagens, nomeadamente quanto à exigência de uma grande quantidade de dados para a sua calibração, informação inexistente no início das obras, e são pouco flexíveis em cenários geológicos com alguma complexidade. Para além desta metodologia para a modelação e previsão dos níveis de vibração, referem uma outra, ainda pouco difundida, que consiste na modelação matemática dos fenómenos envolvidos e recorre a técnicas numéricas tais como o Método dos Elementos Finitos (FEM), o Método dos Elementos Discretos (DEM) ou o Método das Diferenças Finitas (FDM). Os dois últimos, pela sua formulação e método de integração, são referidos como particularmente rmente indicados para problemas dinâmicos, havendo já alguns exemplos de aplicação ao problema da propagação de vibrações no terreno. Relativamente ao tipo de dano, ocorrem com frequência fendas com a forma de X (Figura 2.8), geralmente em paredes de alvenaria de tijolos cerâmicos, rebocadas e estucadas. Esta fendilhação é devida ao facto de o movimento relativo das bases de uma estrutura originar tensões de tracção nas diagonais dos paralelogramos que, ao vencerem a resistência dos materiais, causam esses danos (Jimeno et al., 1995, in Bernardo, 2004). Figura Fendas típicas devidas a movimentos sísmicos (Jimeno et al., 1995, in Bernardo, 2004) Os danos estéticos, ou até mesmo os estruturais, são frequentemente agravados por acção de agentes atmosféricos, pelos problemas decorrentes da construção deficiente ou ainda da falta de qualidade dos materiais aplicados. Todavia, estas alterações, que se manifestam em períodos de tempo consideráveis passam, amiudadamente, despercebidas, sendo notadas apenas cumulativamente na presença de um qualquer fenómeno exterior, capaz de, por si só, justificar os danos e, eventualmente, vir a ter uma solução cómoda, através da reclamação de indemnizações. De uma forma geral, estas reclamações são respeitantes a possíveis danos estruturais, causados por vibrações, terrestres e/ou aéreas e são desencadeadas pelo efeito surpresa decorrente de uma detonação no seio de uma comunidade. É frequente, ainda que as detonações ocorram conforme a legislação, e em horários adequados, o choque e a ansiedade motivados pelos eventos vibratórios estimularem os proprietários a tentar encontrar danos estruturais nas suas casas e, não raras vezes, a sentir-se prejudicados (Bernardo, 2004). Vuolio (1990) refere que as reclamações vêm principalmente de pessoas que vivem fora do raio de acção da obra chegando a distâncias assinaláveis, entre 1 e 2 Km, quando se trata de desmontes com explosivos que envolvem grandes volumes de rocha. 27

46 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Dowding (1996) considera que as vibrações induzidas pela não observância dos limites regulamentares, nos níveis mais baixos, podem originar fissuras cosméticas, que embora de espessura capilar, são observáveis visualmente. Todas as casas apresentam muitas fissuras cosméticas e a distinção entre as provocadas pelas vibrações com origem em explosões e as de ocorrência natural é um processo extremamente difícil e demorado. Uma vez que as estruturas fissuram naturalmente, o registo dos danos estéticos e/ou estruturais imediatamente antes (vistorias prévias), e depois do uso de explosivos, é essencial para isolar aqueles que são causados pelas detonações. Este mesmo investigador concluiu que a comparação das tensões nas paredes produzidas pelas vibrações nos eventos quotidianos, com as necessárias para causar fissuras nos materiais de revestimento, dá a perspectiva para a observação de fissuras em baixos níveis de vibração, afirmando que diversas medições efectuadas mostram que, na sua vida diária, uma família activa ou ocupantes de edifícios históricos produzem tensões nas paredes semelhantes às produzidas por vibrações resultantes da detonação de explosivos, com velocidades vibratórias entre 2,5 a 12 mm/s. Nessas observações, os registos mais surpreendentes foram as tensões relativamente grandes nas paredes, causadas pelas mudanças diárias de temperatura e humidade, por si só suficientes para fissurar o estuque. Trabalhos experimentais realizados por Siskind et. al (1980) concluíram que o limiar de danos foi definido como a ocorrência de danos estéticos, isto é, a fendilhação superficial do tipo que se desenvolve em todas as casas, independentemente da detonação. Casas com paredes rebocadas interiormente são mais susceptíveis ao aparecimento de fissuras devidas às vibrações com origem nas detonações, do que as mais recentes, com revestimento em gesso cartonado, cuja integridade se encontra assegurada por um mínimo de velocidade de partícula de cerca de 19 mms -1 para as frequências abaixo de 40 Hz. A normalização internacional em vigor considera que os critérios de dano estrutural estão correlacionados com a amplitude das ondas sísmicas, particularmente com a velocidade de vibração, parâmetro que melhor se ajusta à aludida correlação. Segundo Dowding (1992), o valor máximo da velocidade vibratória pode ser adoptado como um indicador das tensões dinâmicas ocorrentes, devido ao facto do dano estrutural provir das tensões induzidas. A este propósito, a segurança dos edifícios com uma resistência dita normal parece garantida para um limite de 50 mm/s (Bernardo e Dinis da Gama, 2006). Dados estatísticos mostram que a quase totalidade (mais de 97%) dos casos de dano real se verificam para velocidades de vibração superiores a 71 mm/s. Dinis da Gama (1998) refere que 50% das ocorrências de danos se registam em estruturas submetidas a velocidades vibratórias em torno dos 137 mm/s. Nos critérios de avaliação do dano estrutural são geralmente usados valores de níveis de vibração 28

47 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações conservadores, os quais podem ser considerados excessivos no âmbito do conforto ambiental, atendendo à sensibilidade humana a níveis vibratórios reduzidos. Bernardo (2004) cita a classificação em três classes de dano (propostas por Siskind et al., 1980, e referidas por Dowding, 1992) relativas às respostas estruturais dos edifícios localizados nas imediações de desmontes de maciços rochosos com explosivos. Essas classes são as que se indicam de seguida, por ordem decrescente de gravidade e por ordem crescente da distância aos trabalhos. Graves (distorções permanentes) debilidade intensa da integridade da estrutura, daí resultando fendas de considerável abertura, perda de verticalidade das paredes e/ou assentamentos diferenciais das fundações (resultantes da redistribuição das cargas na superestrutura, devida à distorção); Moderados (abertura de fissuras) danos superficiais, nos elementos mais frágeis (e não solidários com a estrutura) do edifício, como janelas de vidro, paredes e revestimentos exteriores ou interiores; Mínimos prolongamento de fissuras pré-existentes (estéticas, geralmente com espessura capilar) e oscilação de objectos soltos. Dinis da Gama (2003) sintetiza a problemática das vibrações em Geotecnia propondo o fluxograma apresentado na figura seguinte, no qual se encontram esquematizadas as diferentes fases envolvidas nesse processo: geração, propagação, monitorização e controlo dos efeitos. Figura 2.9 Problemática das vibrações em Geotecnia (Dinis da Gama, 2003) 29

48 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas 2.6. Medidas de minimização das vibrações Os impactes ambientais decorrentes do uso de explosivos na escavação de maciços rochosos são fenómenos explicáveis, mensuráveis e controláveis e, por conseguinte, susceptíveis de ocorrer de forma rotineira sem alcançar os limites oficialmente estabelecidos. Quando tais limites são excedidos é provável que a actividade tenha sido inadequadamente projectada e/ou deficientemente executada (Dinis da Gama e Jimeno, 1993). É de fundamental importância para a indústria o conhecimento dos dados técnicos da fragmentação de rochas por explosivos, incluindo a geração e propagação de vibrações e o ruído associado, na previsão e controlo de tais efeitos (Stachura et. al, 1984). Sabe-se que apenas uma pequena parte da energia libertada aquando de uma detonação de um explosivo em rocha é efectivamente utilizada na sua fragmentação. Dinis da Gama (1998) estima-a entre 5 e 15%, o que significa que a parcela maior da energia contida nos explosivos é transferida para o ambiente circundante sob a forma de efeitos colaterais, capazes de produzir impactes relevantes. De entre esses efeitos, contam-se os já referidos em secções anteriores: vibrações transmitidas aos terrenos e estruturas adjacentes, onda aérea, projecção de blocos, criação de poeiras e sobrefracturação do maciço remanescente, com a possibilidade de vir a criar instabilizações nos terrenos contíguos. Segundo Clayton (2001), citado por Bernardo e Torres (2005), a cada um destes impactes, característicos das vibrações, pode ser associada a noção de grau de risco, quantificado através do produto entre a probabilidade de ocorrência daquele impacte e a sua gravidade, no que respeita ao seu efeito sobre os descritores ambientais. Guerreiro (2003) adverte para a diferença entre os conceitos de Risco e Perigo, que define da forma seguinte: Risco probabilidade do potencial agente exposto ser atingido nas condições de uso e/ou exposição, interessando a amplitude do dano; Perigo propriedade ou capacidade intrínseca de algo (por exemplo: materiais, equipamentos, métodos e práticas de trabalho) potencialmente causador de danos. Assim, e tendo em consideração os factores probabilidade de ocorrência e gravidade do potencial acidente, pode afirmar-se que as vibrações se destacam pelo risco que lhes está associado dado que, por um lado, ocorrem sempre que se regista uma detonação, devido à energia transmitida ao maciço e, por outro, é frequente perturbarem edificações e pessoas nas imediações dos trabalhos de escavação. Bernardo e Torres (2005) consideram que, perante a inexistência de parâmetros geológicos, estruturais e mecânicos da rocha a desmontar, sem eficazes medidas de monitorização dos 30

49 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações seus impactes ambientais, e na ausência de um projecto apto a fazer face às sensibilidades características daquela aplicação, se verificam maiores magnitudes dos impactes ambientais associados, normalmente relacionadas com o excesso de peso do explosivo utilizado, além do necessário à fragmentação da rocha, apenas. Recomendam, por isso, que, do ponto de vista estrutural, quando os trabalhos se aproximam em demasia de qualquer tipo de estruturas deve proceder-se ao ajuste das cargas por retardo, mantendo, contudo, as cargas específicas, i.e., as cargas devem ser espaçadas temporalmente, mas não no espaço. Pode então concluir-se que, sem que seja posta em causa a eficácia da operação, ela pode realizar-se em segurança, a dos seus executantes e a de terceiros e seus bens, desde que acautelados o Risco e o Perigo nela envolvidos A influência do parâmetro frequência nos critérios de dano estrutural Além da velocidade de pico de partícula (PPV), a frequência é um dos factores mais importantes no controlo da resposta das estruturas às solicitações dinâmicas a que ficam submetidas quando expostas a acções impulsivas (Lucca, 2003). Cabe aqui referir o conceito de frequência natural de uma estrutura (f n ), enquanto propriedade essencial para estimar a sua resposta às mencionadas solicitações. Newmark e Hall (1982), citados por Dowding (1992) e Bernardo (2004) comprovam, a partir de estudos realizados no domínio da Engenharia Sísmica, que a frequência natural de vibração de uma estrutura (Equação 2.13) é uma função inversa da sua altura, normalmente definida pelo número de pisos (N) da edificação, e não excede o valor de 10 Hz. (2.13) Sabendo-se que, por norma, a altura de um piso tem cerca de 3 metros, a condição anterior poderia ser escrita em termos da sua altura real. Porém, a sua aplicabilidade é reduzida. Dowding (1992) propõe que esta expressão seja aplicada unicamente a estruturas de um ou dois pisos. Outro parâmetro estrutural a ter em conta é a esbeltez da estrutura, definida pela relação entre a altura e a base. Para as que apresentam uma esbeltez elevada deverão realizar-se estudos pormenorizados para estimar a frequência natural destas estruturas especiais. No caso dos edifícios altos há ainda a considerar a acção dos ventos (que podem ter um efeito significativo) e a probabilidade de amplificação das vibrações em altura, demonstrada em 31

50 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas registos de vibrações com diferentes frequências, a diferentes alturas, ao nível de cada piso, tal como sugerido na Figura Figura Variação da frequência, em altura, num edifício (Bernardo, 2004, in Jimeno et al., 1995) Ainda que a resposta estrutural de um edifício a uma solicitação dinâmica dependa do funcionamento da estrutura no seu conjunto, a análise da figura anterior permite evidenciar alguns aspectos importantes: o amplo intervalo de frequências registadas nos diferentes pisos do edifício pode motivar que, num dos pontos de registo, se observe a equivalência entre o valor medido e a frequência natural da estrutura, iniciando-se nesse ponto o fenómeno da ressonância, que pode alastrar-se à restante estrutura; existência de diferenças ( f ) nos registos de frequência entre pontos próximos, neste exemplo em particular, nomeadamente: no piso térreo, entre os pilares da cave e a laje ( f = 4 Hz); no piso dois, a meio da laje e junto ao pilar ( f = 2 Hz); e no último piso, entre a laje e a cobertura ( f = 16 Hz). Estas diferenças devem-se essencialmente às descontinuidades de massa e de rigidez, verificadas nas interfaces. Os diversos materiais envolvidos, e os graus de liberdade que apresentam, são críticos no comportamento da estrutura quando submetida a uma acção dinâmica (Bernardo, 2004). Para além da sua frequência natural, na resposta dinâmica de uma estrutura participa a sua capacidade específica de amortecimento, ou taxa de amortecimento. Segundo Serra (2001), a 32

51 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações redução dos efeitos da amplificação, verificados em altura, é proporcional ao aumento daquele parâmetro, que assim restringe a resposta da estrutura a solicitações dinâmicas. A taxa de amortecimento ( ) de uma estrutura (Equação 2.14) é função do tipo de construção e, por consequência, da selecção dos materiais aplicados (por exemplo, estrutura em betão armado ou metálica, paredes em alvenaria de tijolo ou em betão pré-esforçado, etc.). = 100 [%] (2.14) í Assim, conhecidas a taxa de amortecimento (, e a frequência natural ( ), de uma estrutura atingida por um evento vibratório com uma determinada frequência (, a sua função de amplificação dinâmica (do deslocamento), também designada por factor de resposta à deformação (deformation response factor, R d ) é dada pela expressão seguinte (Serra, 2001). 4 (2.15) As correspondentes funções de amplificação dinâmica da velocidade relativa (velocity response factor, R v ) e da aceleração relativa (acceleration response factor, R a ) podem ser obtidas a partir da anterior, conduzindo às equações 2.16 e 2.17 (Serra, 2001). 4 (2.16) 4 (2.17) As curvas relativas a cada uma das equações anteriores apresentam-se na Figura A sua análise permite verificar que é precisamente quando há igualdade de frequências (entre a estrutura e o fenómeno vibratório, originado pela detonação) que as estruturas registam as amplificações dinâmicas mais elevadas. Assim, o intervalo de valores na vizinhança do ponto de abcissa 1 (em termos da relação ), pode considerar-se perigoso, ou seja, a evitar nas situações de níveis de vibração intensos. 33

52 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura 2.11 Funções de amplificação dinâmica R d, R v, R a (Serra, 2001) A ressonância de uma estrutura origina, assim, ampliações significativas da vibração que a atinge (Bernardo, 2004), fazendo com que determinada solicitação dinâmica seja prejudicial, ainda que a velocidade vibratória associada à tensão dinâmica que essa onda transporta no terreno esteja aquém do valor admissível recomendado pela normalização aplicável (no caso nacional, a NP 2074). A possibilidade das vibrações com origem em acções impulsivas, do tipo das detonações de explosivos, desencadearem uma resposta estrutural que conduza à amplificação desses fenómenos, está ainda envolta em alguma polémica. Assim, enquanto Dowding (1992) advoga 34

53 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações que, para que se verifique a ressonância de uma estrutura, deverão estar reunidas condições similares a um regime estacionário, outros autores, (Levin, 1969, citado por Svinkin et al., 2003 ou Jimeno et al., 1995) referidos por Bernardo (2004) dão nota que, embora se trate de propagações de curta duração, é possível acontecerem respostas ressonantes bastando, para tal, que a frequência dominante das vibrações seja próxima da frequência natural da estrutura, em três ou quatro ciclos. Nesta linha de pensamento, poderá afirmar-se que este risco se agrava em actividades distintas da escavação com recurso a explosivos como, por exemplo, nos trabalhos de cravação de estacas ou outros da mesma natureza, onde aumenta a probabilidade da repetição dos picos de frequências dominantes e, consequentemente, da sua sobreposição aos que são característicos da estrutura. Por conseguinte, e tendo em conta o amplo espectro de aplicação da NP 2074, inclusivamente a este tipo de solicitações, manifesto na sua própria designação, Avaliação da influência em construções, de vibrações provocadas por explosões ou solicitações similares, verifica-se ser necessária a inclusão da frequência vibratória na normalização para contemplar as referidas situações de solicitações dinâmicas repetidas (Bernardo, 2004). Na secção 2.10, a propósito do projecto de revisão da Norma Portuguesa, voltará a abordar-se a importância daquele parâmetro. Ainda segundo aquele autor, mesmo nas escavações com explosivos, a repetição da frequência dominante afigura-se como muito provável, na medida em que o controlo das vibrações, na perspectiva da velocidade vibratória, de acordo com a legislação vigente, tende a obrigar os projectistas a prever o uso de tempos de disparo (retardos) distintos e consecutivos. Jimeno e Abad (1986) advertem para o risco da redução das cargas por furo e do aumento das temporizações entre furos, condições em que podem ser originadas gamas de frequências consideradas perigosas. Por isso, nos diagramas de fogo, os tempos de retardo dos detonadores entre os furos deverão ser ajustados, a fim de impedir sobreposições das frequências, de vibração do terreno e de ressonância das estruturas. De acordo com este critério, deverão ser evitados tempos de retardo elevados, frequentemente usados para proporcionar a criação de faces livres, já que são os que mais se aproximam das frequências naturais das estruturas. As respostas das estruturas acontecem não apenas devido à acção das vibrações transmitidas pelo terreno (actuando, especialmente, ao nível das fundações), mas também pelas solicitações dinâmicas transportadas pela onda aérea (com consequências mais imediatas na superestrutura). Verificou-se (Dinis Gama, 1998) que o efeito da onda aérea, numa pega de fogo adequadamente dimensionada e executada (traduzida, sobretudo, num bom confinamento 35

54 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas e atacamento das cargas), em termos de potencial de dano estrutural, é diminuto, se comparado com as vibrações do maciço. Investigações desenvolvidas em vários países são unânimes em considerar a frequência vibratória como a grandeza física que melhor traduz a interdependência entre os danos nas estruturas e a amplitude das ondas sísmicas que as atingem. Esta correlação é obtida através de dados experimentais resultantes de um número significativo de exemplos conhecidos. A ideia de usar as sequências de disparo no controlo das vibrações é quase tão antiga como os próprios retardos. Thoenen e Windes (1942) demonstraram, a partir de um disparo de teste, que os tempos de atraso podem ter um papel determinante no cancelamento do efeito vibratório, tendo concluído que a frequência das vibrações não era regular devido, em parte, à dispersão dos tempos de queima. Constataram ainda que a dispersão era tão grande que o espectro resultante se alteraria de explosão para explosão, ainda que se mantivessem os mesmos tempos de disparo nominal. A amplitude resultante não podia ser alterada porque a amplitude máxima está muitas vezes relacionada com elevadas frequências de vibração. Entretanto, passaram-se mais de cinquenta anos até virem a obter-se tempos de disparo verdadeiramente flexíveis e precisos. Contudo, a correlação entre os parâmetros tempo de disparo e a resultante das frequências foi observada ocasionalmente. Cerca de uma década após o trabalho de Thoeren e Windes, Fish (1951) demonstrou, através de pequenos disparos experimentais, que a vibração resultante poderia ser modificada por interferência destrutiva. Frantti (1963) e Pollack (1963) provaram o efeito dos retardos na frequência resultante. Tornava-se então claro haver uma associação entre os tempos de atraso e as frequências. Greenhalgh (1980) mostrou que esse efeito era persistente, sendo observável a uma distância de 170 Km. As acções dinâmicas actuantes nas estruturas são caracterizadas por uma faixa de frequências próprias cujos valores não excedem as, poucas, dezenas de Hertz. Internacionalmente existem vários documentos normativos sobre os valores máximos da velocidade de vibração aceitáveis nas fundações dos edifícios. São disso exemplo a Norma Portuguesa, NP- 2074, de 1983, a Norma Internacional ISO 4866, a Norma Alemã DIN 4150 e a Norma Suíça SN Cada uma das normas internacionais mencionadas, exceptuando a Portuguesa, fixa os valores limite da velocidade vibratória das partículas, em conjugação com a frequência do movimento, a partir dos quais podem ocorrer danos directos nas edificações provocados pela vibração dos solos de fundação (Figura 2.12). 36

55 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Figura 2.12 Comparação dos vários níveis de vibração, em função da frequência, que produzem danos estruturais, segundo cada norma (Mota, 2009, adaptado, in Athanasopoulos e Pelekis, 2000) 2.8. Regulamentação internacional sobre vibrações As edificações estão sujeitas a diversas acções exteriores particularmente severas (sismos e, em alguns casos, a acção do vento) que lhes podem causar danos estruturais consideráveis, ou levá-las mesmo ao colapso. Nestas situações, o critério de avaliação das vibrações ocorrentes é estabelecido de acordo com o estado limite último de resistência das estruturas, condicionado pelas características dos materiais constituintes. Para além daquelas solicitações, existe um conjunto de outras que, embora menos intensas, também podem induzir danos nas estruturas, ainda que menos relevantes, como é o caso das detonações de explosivos em actividades mineiras e de construção próximo de zonas habitadas ou o funcionamento de maquinaria junto a edifícios. Sabe-se que as vibrações provenientes destas actividades são susceptíveis da indução de fenómenos de fendilhação em elementos não estruturais e de provocar o aparecimento de fissuras em elementos estruturais, podendo ainda dar origem a estados de tensão elevados nos materiais e provocar a sua fadiga como resultado da sucessiva repetição dos ciclos de solicitação (Moutinho, 2007). 37

56 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas As diversas normas internacionais* visam a limitação dos danos em construções devidos a estas acções, estabelecendo os níveis máximos de vibração, de acordo com o tipo de edifício, atendendo nomeadamente à sua resistência a danos, admitindo-se a existência de uma relação directa com a respectiva idade da estrutura. Segundo Fornaro (1980), os valores máximos das velocidades de vibração não dependem unicamente dos danos que a velocidade de vibração de partícula pode causar nas estruturas, mas igualmente do tipo de estrutura em si mesma. Foi provado que, frequentemente, a vibração originada por explosivos, largamente utilizados na indústria mineira, é apenas o instante detonador de um processo de instabilidade atribuído a outras causas como sejam a dilatação térmica, a insuficiência de material e erros de projecto. Revestem-se igualmente de grande importância as características próprias das vibrações: a frequência, a velocidade e a duração do fenómeno dinâmico. Pode afirmar-se que um edifício, ou qualquer outra estrutura, sofrerá danos se os impulsos dinâmicos decorrentes das vibrações se sobrepõem aos impulsos estáticos, excedendo as condições de resistência da estrutura. Quando não é possível, com base apenas nas medições de velocidade, atingir os valores de deslocamento e os impulsos, é necessário o recurso a tabelas empíricas de danos, através da correlação das características mais evidentes do fenómeno, sendo esta a via preconizada pela maior parte da normalização actual (Fornaro, 1980). Apresentam-se, nas secções seguintes, a descrição e a análise de algumas das normas europeias e americanas relacionadas com os valores máximos admissíveis dos vários factores de vibração, desenvolvidas por Bacci et. al (2003a, 2003b) Norma Alemã (DIN 4150) Até ao final da década de oitenta, antes da reunificação da Alemanha, vigoravam duas normas distintas. Na Alemanha Oriental, a recomendação vigente considerava dois parâmetros: A tipologia estrutural do edifício submetido aos efeitos da vibração, sub-dividida em quatro classes distintas; A frequência característica do fenómeno vibratório. *As recomendações do Report of Investigation (RI 8507) do United States Bureau of Mines (USBM) têm sido a base de toda a regulamentação mundial neste domínio. 38

57 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Na Alemanha Ocidental, eram admitidas diferentes frequências em função da tipologia estrutural do edifício, tomando como referência somente a componente vertical da velocidade de vibração de partícula (. Após a unificação, em 1989, a Norma DIN 4150 foi adoptada como norma-padrão, tendo sido alvo de várias actualizações desde então. Os valores limite de velocidade de vibração de partícula são expressos em mm/s, considerando o tipo de estrutura e o intervalo de frequência em Hz, os quais demonstram estarem os edifícios fora de riscos de danos. As três classes de edifícios definidas pela norma são: Edifícios estruturais; Habitações; Monumentos e construções delicadas. As frequências são analisadas em três intervalos: valores inferiores a 10 Hz, valores entre 10 e 50 Hz e valores entre 50 e 100 Hz. A norma prevê que, para valores superiores a 100 Hz, a estrutura suporta níveis altos de vibração. Os valores de velocidade de vibração de partícula definidos variam de 3 mm/s, para monumentos e construções delicadas com frequência inferior a 10 Hz, até 50 mm/s, para estruturas industriais com frequência entre 50 e 100 Hz. Na avaliação dos danos estruturais causados pelas vibrações do terreno, os valores limite da velocidade vibratória ( admitidos para diversos tipos de construções, em função da frequência, são os da Tabela 2.3. Tabela 2.3 Valores admitidos pela norma alemã DIN 4150 para danos em edifícios (Bacci et. al, 2003a, adaptado de Berta, 1985, in Bacci 2000) Tipo de Estrutura Fundação Frequência (Hz) Andar mais alto do edifício < Qualquer frequência Industrial 20 mm/s mm/s mm/s 40 mm/s Habitações 5 mm/s 5-15 mm/s mm/s 15 mm/s Edifícios particularmente delicados 3 mm/s 3-8 mm/s 8-10 mm/s 8 mm/s Valores de frequência acima de 100 Hz podem ser aceites nos pontos mais elevados dos edifícios. Outros valores, medidos abaixo dos limites especificados anteriormente, não são considerados nocivos para as estruturas. Esta norma é adoptada em toda a União Europeia como norma-padrão, sendo que um grande número de países europeus desenvolveu as suas 39

58 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas próprias normas, tomando como base a DIN 4150, ou relacionando-as com ela, entre os quais Portugal (NP 2074, de 1983). A Figura 2.13 mostra a representação gráfica dos valores de da norma alemã. Figura 2.13 Norma alemã DIN Representação dos valores da velocidade de vibração, em mm/s, em função da frequência em Hz e das características estruturais dos edifícios (Bacci et. al, 2003a, modificado de Berta, 1985, in Bacci 2000) Na edição da Norma DIN 4150, parte 3, 1986, o critério de avaliação utilizado é o valor máximo medido segundo cada uma das direcções de vibração, X, Y, e Z, e não o valor máximo da resultante vectorial, como anteriormente. A norma americana do Office of Surface Mining Reclamation Enforcement (OSMRE) segue igualmente este princípio Norma Suíça (SN A) Anteriormente a 1992, a Suíça tinha em vigor uma norma referente aos valores para salvaguardar a integridade dos edifícios, na qual era considerada a componente vertical da velocidade de vibração, medida na fundação das estruturas. Os limites de velocidade de vibração de partícula, estabelecidos empiricamente, variavam de 25 mm/s para museus até 100 mm/s para construções em betão armado. Estudos posteriores passaram a introduzir a frequência como parâmetro a ser avaliado, de que resultou a Tabela 2.4, na qual o tipo de estrutura e o tipo de fonte de vibração são actualmente considerados. A distinção das fontes de vibração, funcionamento de máquinas, tráfego e trabalhos de construção ou actividades que envolvam o uso de explosivos, tem, de certa forma, a ver com o facto de as vibrações poderem ter carácter contínuo ou ocasional. 40

59 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Tabela 2.4 Valores sugeridos pela norma suíça. Os valores de foram medidos para fontes de vibração de tipo ocasional (Bacci et. al, 2003a e Paneiro, 2006, adaptado de Bolra, 1993, in Bacci, 2000) Tipos de Estruturas Fonte de vibração Frequência (Hz) Velocidade máxima de vibração de partícula (mm/s) Edifícios de betão armado Edifícios de construção normal Habitações Edifícios sensíveis Maquinaria, tráfego Explosões Maquinaria, tráfego Explosões Maquinaria, tráfego Explosões Maquinaria, tráfego Explosões A norma, introduzida em Abril de 1992, abrange os efeitos nos edifícios, acrescentando critérios de avaliação dos danos materiais, mantendo, no entanto, os valores de da tabela anterior. Utilizada sobretudo para escavações subterrâneas, no período diurno, diferencia as classes de edifícios, as classes de repetitividade do fenómeno (ocasional, frequente e permanente) e os campos de frequência de velocidade de partícula. É complementada com a distinção dos efeitos das vibrações, nas pessoas, no terreno e nos aparelhos sensíveis no interior dos edifícios e propõe ainda uma actualização da metodologia da recolha de dados e dos critérios de determinação e avaliação dos danos materiais Normas inglesas As normas britânicas de maior relevância são: BS 5228 Parte 5 (1997) Controlo de Ruído e Vibração em Construções e Áreas a Céu Aberto ; BS 6472 (1992) Guia para Avaliação da Exposição Humana à Vibração em Edifícios ; BS 7385 Parte I (1990) Avaliação e Medições de Vibração em Edifícios. A norma BS Parte 4 (1992), recomenda que estruturas livres e flexíveis apresentem patamares limite (acima dos quais ocorrerão danos) de 20 mm/s, para vibrações intermitentes, 41

60 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas e 10 mm/s para vibrações contínuas. Por sua vez, as construções pesadas e rígidas apresentam patamares superiores a 30 mm/s para vibrações intermitentes e 15 mm/s para vibrações contínuas. Na gama das baixas frequências, abaixo de 10 Hz, grandes deslocamentos e deformações elevadas necessitam de valores de mais baixos (50 % inferiores), enquanto em alta frequência, acima de 50 Hz, deformações bem mais reduzidas permitem que o limite de V p aumente para 100%. A norma BS 7385 Parte I (1990), analisa as medições de vibração em termos gerais, com maior incidência na investigação de danos na BS 7385 Parte II (1993), e para a percepção humana na BS 6472 (1992). Define quatro parâmetros que podem ser utilizados para definir a magnitude da vibração no terreno, sendo estes: deslocamento, velocidade e aceleração de partícula e frequência. O parâmetro mais usado em todas as normas é a velocidade máxima ( ), medida em três direcções: longitudinal, vertical e transversal. Segundo esta norma, os registos das vibrações são feitos no exterior da propriedade, no terreno imediatamente adjacente ao local da detonação. Se existirem reclamações, pode ser necessário monitorizar as vibrações dentro da propriedade, no local onde os reclamantes considerarem os efeitos mais significativos. O limite de variação da frequência é de 5 a 40 Hz, com níveis predominantes de 20 a 30 Hz, no caso de rochas mais duras, e de 5 a 15 Hz em escavações de rochas de menor competência. A norma BS 7385 Parte 2 (1993) define três tipos de danos em residências: danos estéticos, danos menores e danos maiores, ou estruturais, baseados em termos de e de frequência. Para danos estéticos, os valores de referência são de 15 mm/s a uma frequência de 4 Hz, aumentando para 20 mm/s a 15 Hz e 50 mm/s para frequências superiores a 40 Hz. Os danos menores são possíveis com magnitudes de vibração maiores que duas vezes as consideradas para os danos estéticos. Os danos maiores, ou estruturais, são possíveis quando os valores são o quádruplo dos valores estipulados para danos estéticos Recomendações francesas Actualmente vigoram em França duas recomendações diferentes. A recomendação sugerida pela AFTES (Association Française des Travaux en Souterrain), de 1974, e a Circular proposta pelo Ministério do Ambiente, em Julho de 1986, ampliada em Setembro de A recomendação AFTES sub-divide os edifícios em três classes: a) Tipo A edifícios de baixa qualidade mecânica (muros deformados); b) Tipo B edifícios de média qualidade mecânica (sem deformações aparentes); c) Tipo C edifícios de boa qualidade mecânica (fundações profundas). 42

61 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Os limites de velocidade sugeridos estão representados na Figura Figura 2.14 Diagrama proposto pela AFTES para as vibrações admitidas para as três classes de estrutura (Bacci et. al, 2003a, adaptado de Anon, 1974, in Bolra 1993 e Bacci, 2000) As três curvas possuem um ponto de inflexão na abcissa correspondente ao valor discriminante de frequência, em N= 10 Hz. Para N< 10 Hz, o critério de dano é baseado na amplitude de oscilação. Para N> 10 Hz, o critério é baseado no valor de velocidade de partícula. O valor discriminante de frequência de 10 Hz é arbitrário, ignorando os fenómenos de ressonância que podem sobrevir nas estruturas. Para cada tipo de construção admite-se, de acordo com o tipo de terreno, a velocidade de vibração de partícula apresentada na Tabela 2.5. Tabela 2.5 Valores de velocidade de vibração de partícula, segundo a AFTES, 1974 (Bacci et al., 2003a, adaptado de Weber et al., 1974, in Fornaro, 1980, in Bacci, 2000) Tipo de terreno (velocidade de propagação da onda em m/s) Tipo de construção e (mm/s) A B C ,5 5,0 7,5 7,5 15,0 22,5 25,0 50,0 75,0 A edifícios de reduzida qualidade mecânica B - edifícios de média qualidade mecânica C - edifícios de alta qualidade mecânica A Circular do Ministério do Ambiente, de Julho de 1986, divide as construções em três classes: resistentes, sensíveis e muito sensíveis, para as quais, os limites máximos de velocidade são estabelecidos em função de três bandas de frequência: de 4 a 8 Hz, de 8 a 30 Hz e de 30 a 100 Hz. Naquela directiva, o valor de é definido em função da frequência (Tabela 2.6). 43

62 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Tabela 2.6 Limites de velocidade de vibração de partícula ( ) sugeridos pela Circular do Ministério do Ambiente Francês (Bacci et al., 2003a, adaptado de Kiszlo, 1993, in Bolra 1993 e Bacci, 2000) Frequência (Hz) Tipo de construções (mm/s) Edifícios resistentes Edifícios sensíveis Edifícios muito sensíveis A circular não é específica para os trabalhos com explosivos em explorações mineiras a céu aberto. Uma lei posterior (nº 93-3, de 4 de Outubro de 1993) e uma nova circular, de Setembro de 1993, estenderam a circular anterior às explorações a céu aberto, com os valores seguintes: Tabela 2.7 Valores admissíveis de velocidade de vibração de partícula ( ) em função da amplitude (Bacci, et al., 2003a) Frequência (Hz) (mm/s) Existe ainda um outro projecto de recomendação, de Outubro de 1991, relativo às vibrações em explorações mineiras, advertindo para a limitação das vibrações nas estruturas, com vista a assegurar a sua integridade (Figura 2.15). Figura 2.15 Diagrama representativo dos valores de velocidade de vibração admitidos, sugeridos pelo projecto de recomendação francês relativo às vibrações induzidas exclusivamente pela detonação em pedreiras. As curvas a tracejado representam o limite inferior que, para as duas categorias de edifícios, pode ser superado com uma probabilidade de 10% (Bacci et al., 2003a, modificado de Anon, 1991, in Bolra, 1993 e Bacci, 2000) 44

63 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Os limites propostos, contrariamente às normas precedentes, classificam as estruturas em função da sensibilidade às vibrações, em dois tipos: sensíveis e resistentes (excluem-se os edifícios de valor histórico e construídos sem fundação) Norma italiana (UNI 9916) Esta norma, datada de 1991, é relativa à metodologia de pesquisa, não estabelecendo, portanto, valores limite. A norma fornece um guia para a escolha do método apropriado de medida, de tratamento de dados e de avaliação dos fenómenos vibratórios produzidos nos edifícios, com os seguintes objectivos: Avaliar se o tipo de vibração pode afectar a estrutura do edifício; Verificar a presença ou não de danos estruturais atribuídos à superação dos limites de vibração; Avaliar o comportamento do edifício quando submetido a cargas dinâmicas acidentais como, por exemplo, sismos. A norma tem um carácter geral e não se refere aos efeitos das vibrações. Considera os fenómenos vibratórios, não necessariamente produzidos por desmontes, com cargas explosivas caracterizadas por bandas de frequência entre 0,1 e 150 Hz, levando em conta que fenómenos vibratórios, caracterizados por frequências superiores a 150 Hz, não influenciam significativamente a resposta de um edifício à vibração. Os parâmetros adoptados para a caracterização das vibrações são: Duração e amplitude da vibração; Campo e frequência de interesse; Características dimensionais do elemento estrutural do qual é avaliada a resposta, em função do tipo de edifício, da interacção solo-rocha, das características do terreno e das frequências naturais. Quanto ao posicionamento do aparelho de registo, a norma sugere a verificação do nível de vibração na base da estrutura, a qual é escolhida em função da fundação, ou, na ausência desta, na base do muro de sustentação. É aconselhável, além dos registos das três componentes ortogonais entre si, o cálculo do vector resultante da velocidade de vibração. Para edifícios com menos de quatro pisos, sugere a colocação dos geofones próximo da fundação e no último piso; para edifícios com mais de quatro pisos, aconselha colocá-los nos pisos intermédios. Os geofones devem estar fixos sobre a estrutura, evitando o uso de 45

64 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas suportes, de modo a que se permita uma reprodução fiel das vibrações, impedindo alterações atribuídas ao sistema de acoplamento geofone-superfície de medição. A norma italiana segue os conceitos básicos e limites da norma DIN Norma sueca (SS ) A norma sueca foi aprovada em 1989 e revista em Esta norma prevê a medida da componente vertical do vector de velocidade de vibração da partícula como parâmetro de controlo das vibrações nos edifícios (Bacci et al., 2003a, in Bolra, 1993). Os níveis estipulados não consideram, porém, a perturbação nos seres humanos ou eventuais danos em aparelhos sensíveis. O valor da velocidade medido deverá ser menor que a velocidade, calculada como segue: (2.18) onde, = velocidade em mm/s, extraída de uma tabela, variando entre 18 mm/s e 70 mm/s; = tipo de construção e de material usado na construção; = distância entre o ponto de detonação e a captação; = ambiente de trabalho (galeria, a céu aberto, etc.). Todos os coeficientes anteriormente referidos são extraídos de tabelas, elaboradas a partir de trabalhos práticos. Não estão previstos coeficientes específicos que tenham em conta a frequência de vibração ou que considerem o tipo de fonte de vibração (irregular ou contínua). No entanto, os parâmetros F d e F t levam esses aspectos em consideração, uma vez que a frequência principal é função da distância e da natureza do terreno e a duração e repetitividade dos eventos dependem do tipo de explosivo utilizado, ou seja, da fonte de energia. A Tabela 2.8, cujos elementos já foram apresentados (Tabela 2.2), exibe a compilação dos limites recomendados, usados na Suécia para desmontes de rocha em áreas residenciais, definidas como aquelas que são ocupadas por habitações com fundação e vigas em betão, e paredes exteriores em alvenaria de tijolo rebocado. Para casas antigas, com fundações de reduzida qualidade, o valor de permitido é reduzido de 70 mm/s para 50 mm/s e, para edifícios de betão leve, o limite chega a 35 mm/s. Nos estudos de definição desta norma, muitos dos valores que excederam 110 mm/s foram registados sem 46

65 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações causar qualquer tipo de dano em construções com fundações sólidas. Construções de betão armado, escavadas directamente em rocha, suportaram valores de acima de 150 mm/s. O valor limite recomendado para áreas residenciais normais é de 50 mm/s para frequências acima de 40HZ. Tabela 2.8 Valores limite de, da componente vertical (mm/s), para danos em estruturas civis (Bacci et al., 2003a, adaptado de Langefors e Kihlstrom, 1963, Persson et al., 1994, in Paneiro, 2006 e Bacci, 2000) Areia, cascalho, silte Ardósia, calcáreos Granito, gnaisse, calcáreos duros, quartzitos arenosos, diabases Possíveis danos observados em residências Nenhum tipo de fissuração Fissuração fina e queda de reboco Fissuração evidente Séries de fissuras Norma Norte-Americana USBM (RI 8507 e OSMRE (Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement) O United States Bureau of Mines (USBM) desde sempre se evidenciou pelo seu pioneirismo no controlo das vibrações, tendo como preocupação o estabelecimento de um limite de segurança que não causasse danos estruturais em edificações civis. A maioria dos seus trabalhos correlaciona os parâmetros deslocamento, frequência, velocidade máxima de partícula e distância segura com a energia libertada na detonação. Duvall e Fogelson (1962), in Bacci et al. (2003b), concluíram que os danos em residências são proporcionais à velocidade de vibração de partícula e que os danos mais significativos, queda do reboco ou fissuração, podem ser esperados a partir de de 190 mm/s. Já os danos menores, pequenas fissuras no reboco e abertura de fissuras pré-existentes, são expectáveis a partir de 140 mm/s e o valor de 50 mm/s representa um valor razoável de fronteira entre a zona de segurança e uma zona de prováveis danos. O boletim 656, publicado pelo USBM em 1971, intitulado Blasting Vibrations and Their Effects on Structures, propôs uma velocidade máxima de partícula de 50 mm/s como nível de segurança para edificações civis. A probabilidade de danos numa estrutura residencial varia conforme aumenta ou diminui, proporcionalmente, o nível de vibração acima ou abaixo de 50 mm/s. O critério actual de danos desenvolvido pelo United States Bureau of Mines baseia-se nas pesquisas realizadas em explorações a céu aberto e publicadas em 1980 no RI 8507, intitulado 47

66 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Structure Response & Damage Produced by Ground Vibration from Surface Mine Blasting (Siskind et al, 1980). Neste trabalho, foi constatada a existência de um problema sério com a ressonância estrutural, desencadeada em resposta à vibração de baixa frequência propagada no terreno, apresentando como resultado aumentos em deslocamentos e deformações, o que veio reforçar a ideia de que os danos podem ser causados pela frequência. Os limites de danos adoptados no RI 8507 foram definidos para danos estéticos do tipo mais superficial, isto é, fissuras internas que se desenvolvem em todas as residências, independentemente das vibrações geradas pela detonação de explosivos. Os níveis de vibração de partícula seguros foram definidos como níveis com improbabilidade de produzir fissuras no interior de residências ou quaisquer outros danos. Estes níveis, apresentados na Tabela 2.9, são definidos como conservadores. Os valores foram objecto de muitas críticas pela indústria extractiva a céu aberto por serem desfavoráveis à produção. Tabela 2.9 Níveis seguros de velocidade de vibração de partícula para estruturas civis (Bacci et al., 2003b, adaptado de Siskind et al., 1980, in Bacci, 2000) Tipo de estrutura Habitações recentes - paredes interiores pré-moldadas em gesso, sem revestimento A baixas frequências f < 40 Hz (mm/s) A altas frequências f > 40 Hz Habitações antigas - paredes interiores em gesso ou revestimento em madeira 12,7 50 O USBM e o Office for Surface Mining Reclamation (OSMRE) estabeleceram dois critérios para o controlo dos danos provocados pelas vibrações do terreno. Esses critérios, representados na Figura 2.16, constituem uma referência da velocidade máxima de vibração de partícula ( ) em função da frequência. Figura 2.16 Diagrama representativo dos limites de e de deslocamento, sugeridos pelo USBM e OSMRE, medidos em mm/s e mm, respectivamente, em função da frequência, em Hz. A linha tracejada, em baixo, refere-se aos valores propostos pelo USBM para paredes rebocadas (Bacci et al., 2003b, modificado de Berta, 1985, in Bacci, 2000) 48

67 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Norma Australiana Os critérios australianos para limitar os níveis de vibração a partir de desmontes com explosivos em rochas são baseados nas especificações dos seguintes órgãos: Manual de Controlo de Perturbação Ambiental (New South Wales), 1980, da Comissão Estadual de Controlo da Poluição (SPCC); Conselho ambiental Australiano (AEC) Norma AS2187 Parte 2, de 1983 uso de explosivos; United State Bureau of Mines (USBM) Relatório RI A SPCC adoptou como critério para a velocidade de vibração de partícula o de não exceder 7 mm/s e as detonações deverem ocorrer no período das 9 às 15 horas, de forma a evitar inversões térmicas, sendo requisitada a monitorização de todos os desmontes. A norma AS2187 (1983) adoptou critérios relativos ao pico de velocidade de vibração de partícula, medido no terreno próximo à fundação da estrutura, de acordo com a Tabela Tabela 2.10 Valores máximos de velocidade de vibração de partícula, adoptados pela Norma AS2187, segundo os tipos de construções civis (Bacci et al., 2003b, adaptado de Scott, 1996, in Bacci, 2000) Tipo de construção Velocidade máxima de vibração de partícula (mm/s) Construções históricas e monumentos de especial valor ou significado 2 Casas e prédios residenciais de baixa altura 10 Prédios comerciais ou industriais ou estruturas de betão armado ou de ferro 25 A norma foi reeditada em 1993, não considerando limites de para construções históricas e monumentos, ressaltando contudo que aqueles requerem condições especiais, muitas vezes resultando em medições adicionais na sua própria estrutura Outros critérios internacionais Para além das normas internacionais referidas, existem outros critérios abordados em diversos estudos como sejam os do Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE) (1989), Esteves (1993), Jimeno et. al (1995) e Dinis da Gama (1998), cujo objectivo fundamental é o estabelecimento de limites admissíveis para os vários parâmetros incluídos nos fenómenos vibratórios. Alguns dos mais conhecidos estão resumidos, cronologicamente, na Tabela

68 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Tabela 2.11 Critérios de dano para estruturas submetidas a vibrações (Dinis da Gama, 1998) Parâmetros Autores Critério Aceleração das vibrações (g: aceleração da gravidade) Thoenen & Windes (1942) < 0,1 g segurança 0,1 a 1 g precaução > 1 g perigo Relação.de energia R.E.= a 2 /f 2 (a: aceleração, f: frequência) Crandell (1949) R.E. < 3 segurança 3 < R.E. < 6 precaução R.E. > 6 perigo Velocidade vibratória de pico ( ) Langefors (1958) Edwards (1960) Duvall e Fogelson (1962) 0 < < 5 cm.s -1 segurança 5 < < 10 cm.s -1 danos menores 10 < < 16 cm.s -1 danos moderados 16 < < 23 cm.s -1 danos sérios > 23 cm.s -1 colapso parcial/total Velocidade vibratória de pico e frequência (, f) USBM - RI 8507 (1981) Office of Surface Mining (1983) - EUA Norma UNE (1993) - Espanha < 0,2 cm.s -1 ; f < 1 Hz segurança < 2 cm.s -1 ; 1 < f < 10 Hz segurança < 5 cm.s -1 ; f > 30 Hz segurança Como se verifica pela leitura da tabela, os primeiros critérios de dano usavam a aceleração das vibrações, mais tarde substituída pela velocidade vibratória máxima, visto que as correlações com os danos observados assim o sugeriam. De facto, existe uma proporcionalidade directa entre a velocidade de vibração e a tensão dinâmica associada às ondas sísmicas, sendo que esta última é facilmente correlacionável com a resistência das estruturas. Para além da velocidade, a maioria dos critérios de dano actuais engloba também a frequência característica das vibrações, fundamentalmente devido ao fenómeno da ressonância. De facto, a regulamentação vigente em diversos países destaca a importância da aplicação deste parâmetro como medida essencial à prevenção de danos em estruturas pela acção de vibrações sendo, por isso, de consideração indispensável nos projectos dos planos de fogo. Essa importância tem a suportá-la uma explicação física patente em numerosas investigações (referidas por Svinkin et al., 2003) que são unânimes em considerar a frequência da vibração como um factor essencial no comportamento dinâmico das estruturas, em particular se a frequência dominante da onda sísmica originada, por exemplo, por uma detonação no terreno, for próxima da frequência natural da estrutura em causa (Equação 2.10), dando lugar ao aparecimento de fenómenos de ressonância (Bernardo, 2004). O tipo de estrutura a proteger representa outro passo importante no desenvolvimento e aperfeiçoamento dos critérios, independentemente do tipo do terreno de fundação. Esta consideração tornou-se tão importante como a frequência de vibração, como ficou evidenciado em algumas das normas apresentadas ao longo deste capítulo. 50

69 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Análise das principais normas As diferenças principais entre as normas americanas e as europeias são as seguintes: Instalação do geofone na norma americana os geofones são, em geral, dispostos no terreno circundante à estrutura em monitorização e não no interior do edifício ou em correspondência com as zonas particularmente sensíveis; Tipos de edifícios as recomendações do USBM agrupam os edifícios em duas classes, considerando o tipo de revestimento interno: os construídos com paredes rebocadas e os construídos sem reboco nas paredes ou com revestimento em gesso ou madeira. Os limites de para as paredes sem reboco propostos pelo USBM coincidem com os do OSMRE nas gamas de frequência 0-11 Hz e entre Hz. A recomendação deste organismo permite valores maiores de no intervalo de frequência compreendido entre 11 e 40 Hz. As normas europeias definem o tipo de edifício em função do seu uso (residencial, industrial, histórico), dando valores de inferiores à norma americana para frequências menores que 40 Hz. No intervalo de 40 a 100 Hz, para edifícios industriais, os valores aproximam-se dos da norma americana, mantendo-se mais baixos para outros tipos de edifícios. Intervalos de frequência as normas norte-americanas definem os intervalos em menor e maior que 40 Hz, sendo que a frequência natural dos edifícios está abaixo desse valor. As normas europeias definem intervalos de frequência menores devido aos tipos de construções aí existentes (mais antigas) e, por conseguinte, mais sensíveis. Segundo Schillinger (1994), in Bacci et al. (2003b), a comparação entre a norma alemã DIN 4150 e a norma norte-americana USBM RI8507 evidencia uma variação dos valores de admitidos, como mostra a figura seguinte: Figura 2.17 Gráfico comparativo das normas, alemã DIN 4150 e norte-americana RI 8507 (Bacci et al., 2003b, modificado de Schillinger, 1994, in Bacci, 2000) 51

70 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas A relação entre a USBM RI 8507 e a DIN 4150, para residências e monumentos históricos, mostra um factor 3 a 4 vezes maior para a norma americana, no intervalo de frequência entre 1 e 100 Hz, significando que as estruturas residenciais dos Estados Unidos seriam 3 a 4 vezes mais resistentes do que as construções europeias. Porém, o próprio autor não aceita essa hipótese, argumentando que as regulamentações possuem um carácter conservador e não estão isentas de referências políticas, as quais, de um modo geral, estão concentradas na determinação da probabilidade de aceitação social da ocorrência de danos e incómodos. Actualmente, a incomodidade humana vem sendo até mais considerada que os danos em edifícios, embora com maior dificuldade de regulamentação devido à sua subjectividade, atendendo a que a susceptibilidade às vibrações varia de indivíduo para indivíduo A Norma Portuguesa Considerações gerais Em Portugal, a realização de escavações com explosivos nas proximidades de edifícios residenciais e outros, no que respeita à prevenção de danos provocados pelas vibrações ocorrentes, é regulamentada pela Norma Portuguesa 2074, vigente desde 1983, que estabelece, embora de modo conservador, os limites de vibração aceitáveis. Esta norma fixa um valor limite da velocidade de vibração das partículas, expressa no seu valor máximo (de pico), em cm/s, (Equação 2.19), como um produto de três factores onde são considerados: o tipo de terreno de fundação (α); o tipo de construção (β); o número de solicitações diárias (γ). Os valores medidos são comparados com aquele critério de segurança, não podendo ser-lhe superiores sob pena de poderem ocorrer danos na estrutura [m.s -1 ] (2.19) A velocidade de vibração de pico, ou resultante (Equação 2.20), é calculada pelos dispositivos de medição através das três componentes que o sistema regista, longitudinal, transversal e vertical, sendo que as coordenadas correspondem ao mesmo instante, e não à resultante vectorial com as componentes da velocidade de vibração de pico (PPV) em instantes distintos: 52

71 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações.. [cm s -1 ] (2.20) A partir da expressão anterior, e atendendo ao intervalo de valores possíveis para as constantes α, β e γ, podem resumir-se todas as situações previstas (Tabela 2.12). Tabela 2.12 Valores limite da velocidade de vibração de acordo com a norma NP 2074, em função do terreno de fundação considerado para cada local e das características do edificado (Bernardo e Dinis da Gama, 2006) Características do terreno (coeficiente α) Tipo de construção (coeficiente β) Solos incoerentes soltos: areias e misturas areiaseixo bem graduadas, areias uniformes, solos coerentes e muito moles Solos coerentes muito duros e de consistência média, solos incoerentes compactos, areias e misturas areia-seixo bem graduadas, areias uniformes Rochas e solos coerentes rijos α= 0,5 α= 1,0 α= 2,0 c p <= m/s m/s < c p < m/s c p > m/s γ= 1,0 γ= 0,7 γ= 1,0 γ= 0,7 γ= 1,0 γ= 0,7 Construções sensíveis 2,50 1,75 5,00 3,50 10,00 7,00 Construções correntes 5,00 3,50 10,00 7,00 20,00 14,00 Construções reforçadas 15,00 10,50 30,00 21,00 60,00 42,00 c p - velocidade de propagação das ondas sísmicas no solo γ - constante aplicada com vista à redução em 30% (γ= 0,7) dos valores da velocidade de vibração, para mais de três detonações diárias, isto é, se for aplicada uma fonte vibratória contínua ou quase A NP 2074 distingue-se da generalidade das outras normas por considerar as características do terreno de fundação das estruturas e o número de acções impulsivas diárias. Esta norma estabelece um valor limite para a velocidade de vibração de pico de 60 mm/s, admitindo um elevado factor de segurança, somente justificável para a prevenção de danos estéticos nas estruturas a proteger. Uma vez conhecido o limite a observar, sustentado no critério de prevenção de danos estruturais vigente, é necessária a determinação da lei de propagação das vibrações adequada ao local (Equação 2.9), com vista à extrapolação da carga máxima instantânea de explosivo a usar, desde que se encontre bem definida a distância à estrutura a proteger O projecto de revisão da NP 2074 A Norma Portuguesa NP-2074 (1983) não contempla os critérios de dano actuais de outras Normas e Recomendações Internacionais em que, para além da velocidade de vibração, estão envolvidas a frequência das vibrações e o tipo de estrutura a proteger, independentemente do 53

72 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas tipo do solo de fundação. A ausência daquela grandeza física constitui por isso uma significativa limitação à sua aplicabilidade. Foram propostos projectos de revisão desta Norma por Esteves (1993) e Bernardo e Dinis da Gama (2006), pela pertinência quanto a incluir, de forma criteriosa, a frequência nos critérios de dano em vigor em Portugal, identicamente ao que já acontece noutros países onde a aplicação daquele parâmetro constitui uma medida essencial no comportamento dinâmico das estruturas e na prevenção de danos por acção das vibrações. Parece ser consensual a necessidade da introdução da frequência na definição dos limites admissíveis da velocidade vibratória, embora de forma indirecta, considerando que, numa determinada estrutura, deverão ser os elementos de fundação a ser instrumentados e não o terreno onde se encontram fundados. Contudo, caso este parâmetro venha a ser incluído na regulamentação nacional, há que atender às diferenças entre os materiais constituintes da fundação (onde, de acordo com o ponto 5. Técnica de Medição, da NP 2074, deve ser registada a velocidade de vibração) e os da superestrutura, já que poderão apresentar respostas distintas a uma mesma solicitação dinâmica (Bernardo, 2004). Segundo Bernardo e Dinis da Gama (2006), a inclusão do tipo de terreno é inadequada, já que os valores da velocidade vibratória devem ser medidos sobre um elemento da fundação da estrutura o que, por conseguinte, já contempla os efeitos do terreno na propagação e refracção das ondas. É por este motivo que, a nível internacional, nenhum dos critérios de dano em vigor inclui o tipo de terreno. À partida, parece errado obrigar à normalização da velocidade vibratória admissível em função da litologia, elemento com uma significativa importância na determinação da frequência, uma vez que a velocidade é afectada por outros factores, nomeadamente pela distância entre os pontos de solicitação e os de registo. Assim, por exemplo, considerando um maciço rochoso granítico, pode acontecer que a determinadas distâncias da solicitação se verifiquem valores de frequência que seriam característicos de um calcário. Se esta diferença se aproximar do limite de 40 Hz previsto para a separação dos dois tipos de terreno no projecto de revisão da NP 2074 (Tabela 2.13), pode cair-se numa situação de incumprimento, ou seja, se, por um lado, se tem um terreno rijo, com velocidade de propagação superior a 2000 mm/s, por outro, está-se em presença de uma frequência inferior a 40 Hz, devido a factores diversos da litologia (conforme demonstrado por estudos de campo levados a cabo por Bernardo (2004)). Ainda segundo aqueles autores, esta situação significa, considerando o projecto de revisão em curso, uma diferença que é igual ao dobro, no que concerne à velocidade vibratória admissível no alvo. 54

73 Capitulo 2 - O Impacte Ambiental das Vibrações Não obstante, a relação frequência vs. litologia, de importância inquestionável, deverá ser usada, à partida, para preconizar, mas não para normalizar. Tabela 2.13 Projecto de revisão da NP 2074, adaptado de Azevedo e Patrício, 2003, e Esteves, 2003 Frequência predominante no espectro de v i (t) V L (mm.s -1 ) f < 10 Hz 10 < f < 40 Hz f > 40 Hz Tipos de terrenos Tipos de Construção Solos fracos c < m.s -1 Solos médios Solos rijos m.s -1 < c < m.s -1 c > m.s -1 Construções sensíveis 1,3-1,8-2,5 2,5-3,5-5,0 5,0-7,0-10,0 Construções correntes 2,5-3,5-5,0 5,0-7,0-10,0 10,0-14,0-20,0 Construções reforçadas 6,5-9,0-12,5 12,5-17,5-25,0 25,0-35,0-50,0 Notas: 1 - os primeiros valores são adequados para um número total de solicitações superior a cem; os segundos para um número diário de solicitações superior a três; os terceiros valores são válidos para três ou menos solicitações diárias; 2 - a grandeza a medir é a componente mais significativa da velocidade de vibração (PPV); 3 - "f" é a frequência predominante no espectro de velocidade. Outra singularidade da Norma Portuguesa sem qualquer demonstração científica é a consideração do número de eventos diários, através do coeficiente que surge, aliás, no projecto de revisão com uma importância acrescida (Tabelas 2.12 e 2.13). É compreensível a preocupação em estabelecer valores máximos admissíveis para um número elevado de solicitações diárias (superior a cem), o que estará relacionado com operações de cravação de estacas ou desmonte mecânico de maciços, particularmente quando são usados martelos hidráulicos de impacto. De facto, não se conhecem estudos relativos à limitação da velocidade vibratória pela fadiga dos materiais de construção, quando sujeitos a repetidos eventos diários. A haver relação entre estes parâmetros, os factores de minoração devem ser atribuídos, segundo critérios científicos, de maneira a não tornar a correcção proposta excessivamente conservadora, a qual não existe na normalização internacional conhecida. Outro factor a reavaliar é o da subjectividade na classificação do grau de resistência das estruturas que pode tornar arbitrário o estabelecimento dos limites máximos admissíveis. A opção em passar a considerar a componente da velocidade vibratória mais significativa (PPV) pode ser discutível, na medida em que diferentes situações podem justificar um e outro critério (Bernardo e Dinis da Gama, 2006). 55

74 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas A opção de ter em conta as frequências por cada direcção é importante nos casos em que as normas definem os valores máximos da velocidade somente através da maior amplitude dos picos, tal como preconizado no projecto de revisão, em detrimento do maior vector resultante, como sucede na norma vigente. A este propósito, parece conveniente assinalar que, em relação à análise que pode ser efectuada acerca dos modos de vibração, especialmente se se tratar de fundações esbeltas (por exemplo, estacas profundas), a consideração de uma única frequência, associada ao pico, pode não ser representativa e nem ser a mais conservadora, pelo que a recomendação de Bernardo e Dinis da Gama (2006) é sempre o recurso às análises da transformada de Fourier (FFT), procurando o valor da frequência dominante correspondente. Assim, com base no seu estudo, e tirando partido do exemplo de normalizações semelhantes, nomeadamente a norma alemã (DIN 4150), sugerem a revisão da NP 2074, mas de forma relativamente mais simples e adequada ao estado actual do conhecimento, procurando evitar situações de arbitrariedade acerca de parâmetros cujas relações com as respectivas respostas estruturais não são bem conhecidas. Em resumo, consideram a actualização da norma, justificada e premente, nos moldes dos critérios em vigor noutros países, fazendo intervir, de forma criteriosa, a frequência das vibrações que atingem as estruturas, conjuntamente com a amplitude da velocidade de vibração, os dois parâmetros essenciais de segurança contra o relevante impacte ambiental decorrente do uso de explosivos em actividades industriais, ou outras, geradoras de vibrações. Esteves (1993) apresenta duas sugestões para a revisão da NP Uma delas, veio a ser seguida na proposta de Bernardo e Dinis da Gama (2006), no que respeita à introdução do parâmetro frequência da vibração do fenómeno vibratório medido na fundação da construção, aproximando-a assim da generalidade das restantes normas, enquanto não é produzida uma Norma Europeia (objecto da segunda sugestão). Com este objectivo, sugere a organização, no âmbito da União Europeia, de um grupo de trabalho que deverá ter em conta o documento Suggested Method for Blast Vibration Monitoring (Dowding et al., 1992). 56

75 3. Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações 3.1. Métodos sísmicos de prospecção geofísica Neste capítulo, faz-se uma descrição sucinta do conceito de prospecção geofísica e dos dois métodos utilizados (de refracção sísmica e de resistividade eléctrica) nos trabalhos de campo realizados no âmbito da dissertação, aos quais se fará referência no capítulo seguinte. A utilização dos diversos métodos de prospecção geofísica enquanto instrumentos de caracterização geotécnica e ambiental tem vindo a conhecer um assinalável incremento, especialmente a partir de meados da década de 90 do século passado. No que respeita aos casos de índole ambiental, a sua utilização crescente é devida ao facto de se tratar de métodos indirectos e, por conseguinte, não perturbadores do meio ambiente. Os métodos sísmicos de prospecção visam principalmente a determinação da estrutura subsuperficial dos terrenos, através da análise das magnitudes das velocidades de propagação das ondas sísmicas e suas variações. Na caracterização geotécnica dos maciços interessados em obras de escavação subterrâneas, pode também recorrer-se a uma estratégia sustentada na conjugação de métodos geofísicos com a prospecção mecânica visando, com o primeiro, definir um modelo de zonamento do maciço e, com o segundo, calibrar numericamente esse modelo, de forma a fornecer parâmetros mecânicos (modelo de Hoek & Brown). A título de exemplo, cita-se o caso de estudo objecto da presente dissertação (Túnel do Marão), aquando do estabelecimento e execução da campanha de reconhecimento na fase de concurso. A complexidade do empreendimento, devido à grande heterogeneidade geológica, hidrogeológica e mecânica, com implicações na definição das condições de execução, tornava desaconselhável apenas um reconhecimento de âmbito mais genérico baseado em levantamentos de superfície, ou mesmo com alguma prospecção de índole pontual, acrescida da profundidade dos eixos dos túneis, cerca de 600 metros (solução de base) e 300 metros (solução alternativa), factores que excluíam, desde logo, a realização de uma campanha de caracterização tradicional. Assim, foram realizados dois perfis de resistividade eléctrica, um com 6625 metros de comprimento e 57

76 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas 760 metros de profundidade máxima de investigação (solução de base) e outro com 3180 metros de comprimento e 540 metros de profundidade máxima (alternativa) e cinco sondagens mecânicas com cerca de 50 metros de profundidade (Cruz et al., 2008). A prospecção geofísica por métodos sísmicos consiste, em termos gerais, na geração de uma onda sísmica no local que se pretende investigar e à medição do tempo de propagação da onda ao longo de um determinado percurso no subsolo, até a um conjunto de geofones instalados a uma distância conhecida da fonte e espaçados entre si de igual distância. A fonte sísmica pode ser uma explosão, uma pancada aplicada com uma marreta sobre uma placa metálica ou um pilão sísmico. Por questões de simplificação, a fonte sísmica é geralmente designada por explosão ou tiro. As ondas sísmicas assim geradas propagam-se no subsolo reflectindo-se e refractando-se ao atingirem fronteiras geológicas. As ondas reflectidas regressam à superfície, onde são captadas (Método da Reflexão Sísmica), enquanto as ondas refractadas se propagam ao longo das interfaces entre diferentes camadas antes de chegarem à superfície através de nova refracção (Método da Refracção Sísmica). O impulso sísmico vai-se transformando durante o percurso e, ao chegar ao receptor, é constituído por um conjunto de ondas, das quais as mais energéticas, e primeiras a chegar, são as ondas de compressão, ou ondas P. Seguem-se as ondas de corte, ondas S, e todo um conjunto de ondas de menor energia. Estes factos têm assim uma contribuição determinante para que as ondas de compressão sejam as utilizadas em refracção sísmica. Indicam-se, na tabela seguinte, valores característicos da velocidade de propagação da onda de compressão para alguns dos materiais mais comuns. Tabela Valores característicos da velocidade da onda sísmica de compressão ( ) em alguns materiais (Mota, 2006, adaptado de Press,1966, in Darracott, 1976 e Lavergne, 1989) Material (m/s) Aluvião Argila Areia Arenito Calcáreo brando Calcáreo rijo Calcáreo cristalino Granito Basalto Xisto Gelo Água 1450 Ar

77 Capitulo 3 - Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações Sob a influência da excitação das ondas sísmicas, as partículas do terreno são colocadas em movimento. Às superfícies onde estes movimentos se encontram em fase, dá-se o nome de superfícies de onda. A interface entre a região onde as partículas estão em repouso e aquela onde estão em movimento é designada por frente de onda. Em meio anisotrópico, a normal à frente de onda tem o nome de raio sísmico. Contrariamente à frente de onda, o raio sísmico não tem significado físico, tendo sido introduzido com o objectivo da simplificação da representação da propagação das ondas sísmicas (Hagedoorn, 1959, in Mota, 2006). Os terrenos mais instáveis são os que exigem maiores precauções na concepção das estruturas a construir e, enquanto tal, constituem o alvo principal da prospecção geofísica para geotecnia. Estes terrenos são normalmente constituídos por aluviões e rochas sedimentares, as quais possuem uma estrutura granular com vazios entre os grãos podendo, ou não, estar preenchidos. A relação existente entre o volume de grão e o volume de vazios denomina-se de porosidade *. Este parâmetro é um dos factores que maior influência tem na velocidade de propagação das ondas sísmicas, pois, quanto menor for o volume de vazios, mais elevada é a velocidade de propagação das ondas (Han et al., 1986, in Mota, 2006). O material que preenche estes vazios influi igualmente na velocidade de propagação das ondas sísmicas, porquanto, se estes se encontrarem preenchidos com um líquido, a velocidade é mais elevada do que se estiverem cheios com gás ou apenas ar. As interfaces identificáveis através da refracção sísmica são aquelas que limitam meios em que a velocidade de propagação da onda sísmica é maior no meio inferior face ao superior; porém há situações em que as camadas inferiores do subsolo apresentam velocidades inferiores às sobrejacentes nestas condições está-se em presença da denominada inversão de velocidades (Mota, 2006). Este mesmo autor considera que cada método de prospecção geofísica é adequado a diferentes propriedades físicas do meio em estudo, pelo que, para cada situação, são seleccionadas as técnicas mais apropriadas ao objectivo em questão. Assim, por exemplo, a refracção sísmica deverá ser usada para avaliar a ripabilidade de um terreno, a resistividade eléctrica para detecção de zonas de fracturação e/ou circulação de águas subterrâneas e o georadar para detecção de pequenas cavidades no terreno. *, onde é o volume de vazios e o volume de partículas sólidas. 59

78 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Método de Refracção Sísmica De entre os vários métodos de prospecção geofísica com aplicação à geotecnia, o da refracção sísmica é um dos mais utilizados, sendo particularmente apropriado no zonamento geotécnico preliminar de maciços rochosos, na caracterização de maciços para identificação da espessura de material rochoso ripável e na determinação da profundidade a que se encontra o firme rochoso, subjacente a depósitos não consolidados. A sua aplicação, com sucesso, em trabalhos de prospecção para obras de engenharia civil, apresenta, comparativamente aos métodos de prospecção directa, como por exemplo as sondagens mecânicas, a vantagem da rapidez de execução e o custo reduzido. Porém, sobrevêm algumas dificuldades se utilizado a pequena profundidade (apenas algumas dezenas de metros), com as consequentes influências das variações laterais da velocidade e o desvio das condições teóricas da sua aplicabilidade isotropia e homogeneidade -, condições que raramente ocorrem a profundidades tão superficiais (Fialho Rodrigues,1979). Este método de prospecção caracteriza-se pela obtenção de tempos de percurso das ondas sísmicas longitudinais ou de compressão, ondas P, geradas por uma fonte de energia, normalmente uma carga explosiva ou uma pancada, aplicada com um pilão ou uma marreta (Figura 3.1). Figura Esquerda Marreta e placa metálica. Direita Tiro com marreta Para materializar no terreno um perfil de refracção sísmica utiliza-se um sistema constituído por um conjunto de receptores de energia sísmica, geofones, dispostos ao longo de um alinhamento rectilíneo e afastados entre si de uma determinada distância constante. A fonte de energia responsável pela emissão de ondas sísmicas é localizada sucessivamente em vários pontos ao longo deste alinhamento. 60

79 Capitulo 3 - Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações O conjunto de dados obtidos é constituído por valores de tempo de percurso desde a fonte até ao receptor (geofone) e pela respectiva distância geofone-fonte. O processo de tratamento dos dados começa com a identificação, em cada sismograma obtido, dos primeiros tempos de chegada da onda aos vários geofones. Após este tratamento é produzido um gráfico dos tempos de chegada, em função da distância percorrida pela onda. As curvas tempo-distância assim alcançadas, dromocrónicas, permitem obter valores para a velocidade de propagação das ondas sísmicas longitudinais em cada horizonte sísmico e respectivas espessuras (Figura 3.2). Figura 3.2 Dromocrónicas obtidas na execução de um perfil com 5 tiros. (Em destaque o tiro central. Dados de campo a cinzento e resultados da inversão a azul) (Mota, 2010) Sabe-se que, em meios homogéneos, a propagação da energia sísmica, através das várias camadas geológicas, apresenta um comportamento similar ao dos raios ópticos, experimentando assim idênticos processos físicos de transmissão. A propagação de raios de luz é descrita pela Lei de Snell, da óptica. Esta lei, conjuntamente com o princípio do tempo mínimo de Fermat e o fenómeno da incidência crítica, constituem as bases físicas do método de refracção sísmica. A partir do esquema apresentado na Figura 3.3A, onde e são os ângulos que os raios, incidente e transmitido, fazem com a normal à interface entre os meios 1 e 2, respectivamente, e e as velocidades de propagação das ondas sísmicas nos respectivos meios, onde, a lei de Snell, ou a lei da refracção de Fermat (in Robinson e Clark, 2006, in Mota, 2006) é dada por: (3.1) 61

80 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura Refracção de um raio através de uma interface entre dois meios de diferentes velocidades de propagação das ondas sísmicas (Mota, 2006, adaptado de Redpath, 1973) Quando 90 está-se perante uma incidência crítica, a qual corresponde, em termos sísmicos, à refracção da onda sísmica (Figura 3.3B) e a Lei de Snell toma a seguinte forma: (3.2) Na interface entre os dois meios, a onda sísmica propaga-se à maior das duas velocidades e vai gerando continuamente para a superfície ondas sísmicas segundo um ângulo crítico,, onde são detectadas nos diversos geofones aí instalados a iguais distâncias entre si, ao longo de um alinhamento, no qual também estão as fontes sísmicas. Para a determinação das profundidades a que se encontram os refractores e os eventuais ângulos de inclinação das interfaces são necessários, no mínimo, dois tiros, um em cada extremidade do alinhamento, designados por tiro directo e tiro inverso. Na Figura 3.4 é apresentado esquematicamente um meio constituído por três camadas horizontais e homogéneas, onde as velocidades de propagação das ondas sísmicas são constantes em cada uma delas, e crescentes em profundidade, i.e., > >. Na parte inferior da figura está representado um gráfico de tempo-distância com o registo dos vários tempos de chegada. Os primeiros tempos de chegada registados correspondem às chegadas directas através da camada superficial (geofones 1 e 2), e o declive da recta que passa por esses pontos é o inverso da velocidade de propagação na primeira camada ( ). A partir de uma determinada distância da fonte, em inglês denominada crossover distance, os primeiros tempos de chegada correspondem à onda refractada na interface entre as camadas 1 e 2 (geofones 3, 4, e 5), uma vez que a velocidade de propagação,, desta onda, é superior à da primeira camada. O declive da recta que passa pelos pontos do gráfico tempo-distância, correspondentes a estes geofones, é igual ao inverso da velocidade de propagação na segunda camada ( ). Aos geofones 6 e 7 chega a onda que se propagou na interface entre as camadas 2 e 3, à velocidade, que pode igualmente ser obtida a partir do gráfico tempo-distância. 62

81 Capitulo 3 - Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações Figura Exemplo de um meio estratificado horizontalmente, composto por três camadas de velocidades de propagação crescentes com a profundidade ( > >, e respectivo gráfico tempo-distância (Mota, 2006) Uma última referência para os diversos métodos de interpretação de dados obtidos através da refracção sísmica, cuja descrição e análise não se justificam no âmbito do presente trabalho. São vários os métodos existentes, baseados unicamente nos tempos de chegada, referidos por Mota (2006), como por exemplo o plus-minus (Hagedoorn, 1959), o dos tempos de atraso (do inglês delay-times) (Redpath, 1973) ou o da recíproca generalizada (ou GRM, Generalized Reciprocal Method ) (Palmer, 1980). Em síntese, pode afirmar-se que o método de refracção sísmica se baseia na existência de contrastes na velocidade de propagação das ondas sísmicas entre os diversos materiais que constituem os terrenos objecto de investigação Método de Resistividade Eléctrica/Tomografias de Resistividade Eléctrica Nas últimas décadas, a prospecção pelo método de resistividade eléctrica tem conhecido um desenvolvimento assinalável, em parte devido ao aparecimento de sistemas automáticos de aquisição de dados com recurso a cabos multi-condutores que, em poucas horas, permitem fazer perfis de resistividade eléctrica com os dispositivos tetraelectródicos de dipolo-dipolo, polo-dipolo, polo-polo ou de sondagens eléctricas verticais contínuas (SEVC) com o dispositivo de Wenner com grande densidade de leituras (Barker (1981), Griffiths et al. (1990) e Griffiths e Barker (1993), in Mota (2006). À semelhança da secção anterior, também no presente método se pretende apenas descrever alguns dos seus aspectos mais relevantes, porquanto não se entrará no detalhe de cada um dos dispositivos ora mencionados. 63

82 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Outro contributo de grande importância no incremento da utilização do método de resistividade eléctrica foi o programa de inversão desenvolvido por M. H. Loke Res2Dinv (Loke e Barker, 1996; Loke, 1999) com o qual se obtém uma Tomografia de Resistividade Eléctrica que contrasta com a tradicional apresentação do modelo de resistividade constituído por corpos geométricos e homogéneos. O princípio consiste na subdivisão da superfície bidimensional em estudo num determinado número de células, calculando a resistividade de cada uma delas de acordo com um critério previamente estipulado. As Tomografias de Resistividade Eléctrica resultam da inversão da pseudo-secção de resistividade eléctrica assim obtida, representando, graficamente, uma imagem bidimensional da variação da resistividade do terreno (Mota, 2006). As variações mais significativas do campo eléctrico podem corresponder a heterogeneidades litológicas ou a anomalias de resistividade dos materiais. O grau de variação da distribuição depende do contraste de resistividade entre as estruturas subsuperficiais anómalas e o meio envolvente. A detecção destas anomalias depende ainda da sua posição relativa face ao dispositivo utilizado. Uma vez que a corrente eléctrica se propaga no terreno principalmente através do electrólito composto pela água existente no vazio dos solos e pelos sais nela dissolvidos, a resistividade depende, para além da porosidade do material constituinte do terreno, do seu teor em água e do nível de iões nela dissolvidos. A presença de argila é outro factor que influi igualmente na transmissão da corrente eléctrica. Na tabela seguinte apresentam-se os valores de resistividade eléctrica de alguns metais, minerais e rochas mais comuns. Tabela Resistividade da água e de alguns metais, minerais e rochas mais comuns (Mota, 2006, adaptado de Reynolds (1997), Berkeley (2004) e Sheriff (1991)) Material Resistividade (ohm.m) Água 0,2-1 Água do mar Alumínio 2,8 x 10-8 Cobre 1,7 x 10-8 Prata 1,6 x 10-8 Aço x 10-8 Pirite 3,0 x ,5 Granito x 10 6 Granito alterado Basalto 10-1,3 x 10 7 Xistos (calcáreo e mica) Xistos (grafite) Mármore 100-2,5 x 10 8 Arenitos 1-7,4 x 10 8 Calcáreo 100-2,5 x 10 8 Argilas Aluvião e areias Solo (40% argila) 8 Solo (20% argila) 33 Argila (seca)

83 Capitulo 3 - Técnicas de Geofísica aplicadas à problemática das Vibrações As bases da prospecção por métodos eléctricos assentam na geração de um campo eléctrico, através da injecção de corrente eléctrica no terreno por meio de dois eléctrodos metálicos, e medição da diferença de potencial eléctrico entre outros dois eléctrodos. Para a sua materialização, a metodologia de trabalho consiste, basicamente, na disposição em linha de eléctrodos equidistantes entre si (41 eléctrodos, espaçados de, até um máximo de 20 m, e ligados por um cabo multi-condutor). O equipamento utilizado pelo LNEC para a execução do perfil de resistividade apresentado no Capítulo seguinte, foi desenvolvido pela Universidade de Lund (Suécia) e pela ABEM, e é designado por Sistema Lund. É composto por quatro bobinas de cabo multi-condutor, cada uma com 21 ligações a outros tantos eléctrodos, e por um comutador, de nome ES464. Este conjunto encontra-se ainda ligado ao resistivímetro ABEM Terrameter SAS 4000, segundo o esquema da Figura 3.5. As saídas dos cabos para ligação aos eléctrodos estão espaçadas de 10 em 10 m, o que permite variar os espaçamentos entre eléctrodos (distâncias dipolares) entre alguns centímetros e 20 m, em função da profundidade de investigação que se pretende atingir. Esta é inversamente proporcional à resolução obtida, ou seja, quanto maior a profundidade de investigação, menor a resolução alcançada, dado que cada ponto de observação está mais afastado dos que o rodeiam, representando assim um maior volume de terreno. Figura Esquema do sistema de multi-eléctrodos (ABEM Terrameter 4000 e Sistema Lund) (Mota, 2006) São várias as utilizações dos métodos de resistividade em estudos de caracterização litológica. No caso presente, foi realizado um perfil de resistividade eléctrica visando o conhecimento, o mais completo possível, da litologia dos terrenos da zona em estudo. 65

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85 4. Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão 4.1. Considerações gerais Pretende-se, neste capítulo, apresentar os resultados, a interpretação e respectivas conclusões, do estudo levado a efeito no âmbito das eventuais influências ambientais do emprego de explosivos em obras subterrâneas, incidindo particularmente na segurança das edificações do meio envolvente à zona de trabalhos. Com este objectivo, foi estabelecida uma metodologia composta pela realização do registo, processamento e interpretação das vibrações originadas pelas detonações provenientes do uso daquela tecnologia na escavação de túneis, à luz da regulamentação portuguesa em vigor, tendo por base um suporte técnico credível e imparcial, ao mesmo tempo enquadrado na regulamentação internacional de referência. No caso-estudo que se apresenta, o do Túnel do Marão, integrados no empreendimento da Auto-Estrada A4/IP4 Amarante / Vila Real, cujos trabalhos se encontram em curso, irá ser dada particular ênfase à envolvente ao emboquilhamento nascente pelo facto de se tratar de uma zona povoada, constituída por aglomerados habitacionais de pequena dimensão, onde são predominantes as moradias unifamiliares (Figura 4.1). Complementarmente ao registo e medição de vibrações em pontos próximos das frentes de trabalhos (túneis norte e sul), procedeu-se à realização de um conjunto de perfis de refracção sísmica, de pequena dimensão, e de um perfil de resistividade eléctrica. Os fundamentos teóricos destes dois métodos de prospecção geofísica encontram-se descritos no Capítulo 3. Com a realização destes perfis procurou-se completar o conhecimento da litologia e das características dinâmicas dos terrenos locais, nomeadamente através da determinação da velocidade de propagação das ondas sísmicas (refracção sísmica), visando uma aplicação mais adequada dos parâmetros constantes na NP 2074, em especial no que concerne às características dos terrenos de fundação das edificações monitorizadas no decurso das duas primeiras campanhas de ensaios de campo. 67

86 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas A necessidade deste estudo surgiu quando a empresa construtora começou a ver-se confrontada com algumas reclamações de residentes locais, relacionadas com incomodidade e o aparecimento de danos no seu património edificado, alegadamente causados pelas vibrações com origem nas detonações relativas aos desmontes do maciço rochoso com recurso a explosivos. Estes factos levaram-na a encomendar a realização de um conjunto de ensaios de medição de vibrações a uma entidade externa, no caso, o Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), com vista a apurar da justeza das reclamações. Cabe aqui mencionar o trabalho preliminar de inventariação, levado a efeito por indicação da construtora, no decurso do qual foram vistoriadas mais de quatrocentas edificações em torno de todas as zonas de trabalhos do empreendimento, na sua maioria habitações unifamiliares. Parte destas edificações, aquelas que, pela sua localização, se afiguravam como mais susceptíveis a eventuais efeitos nocivos em resultado das escavações dos túneis, foram objecto de vistorias técnicas prévias para avaliar o seu estado de conservação, nas quais foram observadas e registadas, por escrito e em fotografia, interior e exteriormente, as patologias existentes. De cada um dos Relatórios de Vistoria produzidos, um exemplar foi entregue no Cartório do Registo Notarial e outro ao proprietário ou seu representante. A finalidade principal destas inspecções é a da obtenção de um documento independente que se constitua numa referência comparativa do estado da estrutura (identificando as anomalias observadas) com uma nova inspecção a realizar no final dos trabalhos, ou ainda no seu decurso, caso venham a surgir reclamações dos proprietários. A B C D Figura A Panorâmica do emboquilhamento dos túneis. B Caminho de acesso ao emboquilhamento. C Vista geral da povoação de Viariz da Santa. D Vista parcial da povoação de Viariz da Poça 68

87 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão 4.2. Geologia e geotecnia locais Geologicamente, a zona em estudo, na envolvente nascente dos túneis, é caracterizada pela ocorrência da formação da Desejosa, pertencente ao Grupo do Douro do Complexo xistograuváquico (Sousa, 1982, citado por Coke et al., 2003). Localmente, é composto por xistos luzentes, filíticos, grafitosos e cloríticos, medianamente alterados (Figura 4.2). Figura 4.2 Esboço Geológico do Sul da Serra do Marão (Coke et al., 2000, Estudo Geológico e Geotécnico Relatório Geológico e Geotécnico S3/S RGG, adaptado) O estudo geológico e geotécnico não constitui uma caracterização geotécnica detalhada da zona, mas apenas uma descrição de ensaios laboratoriais sobre provetes rochosos da formação xisto-grauváquica obtidos nas sondagens S168 ( ), S169 ( ) e S177 ( ), pelo que se admite que o maciço rochoso na área em estudo terá as características geotécnicas indicadas na Tabela

88 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Tabela 4.1 Características geotécnicas das rochas do xisto-grauváquico (Coke et al., 2000) So nd. Geo l. P ro f. M assa especí fica e po ro sidade C o mpressão simples A par. R eal A bso r. P. esp. qu E P o ro s. Is s 0 ( M pa) Ensaio carga po ntual Is s0 (M pa) Is s0 (M pa) Slake T est I d2 Lo s A ngeles Gran. D esg. M arsal e R esendiz N º. ( m) (KN / m3) ( KN / m3) (peso ) ( KN / m 3) M pa M pa ( I) (II) (III) (%) (%) P s0 (KN ) S 168 X 6,3 6,0 26,8 27,8 3,7 1,4 26,9 51, ,0 5,8 5,8 98,7 S 168 X 2,4 26,3 G 31,5 3,9 S 169 X 18,5 19,0 26,9 27,8 3,2 1,2 26,9 40, ,0 6,1 13,4 9,3 98,6 S 177 X 9,0 12,0 G 21,0 5,65 S 177 X 12,3 12,8 27,7 27,7 0,5 0,2 27,2 76, ,0 9,3 15,5 99, Metodologia A elaboração deste trabalho compreendeu as seguintes fases: Identificação dos casos de reclamações; Medição das vibrações em locais previamente seleccionados pela construtora, relativos às reclamações, acrescidos de alguns outros, da responsabilidade do LNEC, considerando a possibilidade do registo simultâneo em vários pontos; Síntese dos resultados obtidos a partir dos trabalhos precedentes; Proposta de alterações aos planos de fogo, visando a minimização dos níveis de vibração, caso fossem excedidos os limites regulamentares; Caracterização da litologia e das propriedades dinâmicas dos terrenos; Determinação da lei de propagação de vibrações mais adequada ao local; Interpretação dos resultados obtidos e respectivas conclusões Equipamento utilizado A obtenção dos dados foi realizada com sismógrafos de engenharia, providos de geofones. Em cada detonação, os diferentes geofones, ao receberem os impulsos sísmicos, em diferentes instantes, registaram os eventos, desde que superiores aos limites de detecção do equipamento e ao valor mínimo de activação (trigger) do sismógrafo, definido para dar início ao registo. No registo de vibrações foram usados dois sismógrafos digitais, o modelo S-6-Peak Vibration Monitor, fabricado pela empresa norte-americana Slope Indicator Co. (Sinco), Figura 4.3 A, e o modelo Minimate Plus, Figura 4.3 B, da canadiana Instantel, ambos equipados com dois geofones triaxiais. 70

89 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão O equipamento Sinco S-6 opera na gama de frequências Hz, com um limite mínimo de actuação de 0,075 mm/s. Para além de um sistema de arranque automático, para diversos limites escolhidos, este sismógrafo dispõe ainda de um sistema de cálculo que permite efectuar, em tempo real, o cálculo da transformada de Fourier (FFT), numa larga faixa de frequências, indicando o valor resultante das três componentes e a respectiva frequência. O equipamento Minimate Plus opera no intervalo de frequências Hz, sendo que o mínimo nível de arranque automático do sistema é de 0,127 mm/s. Ambos os equipamentos têm seis canais de entrada (três por cada geofone), de modo a permitir o registo das vibrações segundo três componentes, em dois locais ou pontos distintos. Em cada ponto, as componentes da vibração, ortogonais, são registadas segundo as direcções longitudinal (na direcção da recta horizontal que passa pelos pontos de detonação e de registo), transversal (perpendicular à longitudinal) e vertical, perpendicular às duas anteriores. A B Figura 4.3 A: S6 Peak Vibration Monitor, B: Minimate Plus (Mota, 2009) De acordo com a Norma Portuguesa 2074/83, os locais de instalação dos geofones deverão ser solidários com as estruturas e, por consequência, com as fundações dos edifícios objecto de monitorização. Nessa medida, são instalados sistematicamente nas proximidades de vigas de fundação ou soleiras, em cantaria, de portas (Figura 4.4), com a exclusão de locais em que exista um assinalável efeito atenuador dos materiais de revestimento. 71

90 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura 4.4 Locais de instalação dos geofones em edifício a monitorizar (Dinis da Gama, 2009) 4.5. Medições e registos efectuados Os trabalhos de campo, de registo e medição de vibrações, assim como a realização dos perfis de prospecção geofísica, na terceira campanha, decorreram nos seguintes períodos: - de 22 a 27 de Setembro de 2009 (primeira campanha); - dias 27 e 28 de Outubro de 2009 (segunda campanha ou campanha complementar); - de 21 a 23 de Setembro de 2010 (terceira campanha). No conjunto das três campanhas foram efectuados registos em 30 locais, maioritariamente habitações, representados na Figura 4.5 (página seguinte). Estes trabalhos foram precedidos do respectivo levantamento topográfico, da responsabilidade da construtora. A informação das coordenadas geográficas dos desmontes foi assegurada pela Empresa Portuguesa de Obras Subterrâneas (EPOS), responsável pelos trabalhos de escavação dos túneis, norte e sul, da frente nascente. Estes elementos permitiram determinar as distâncias entre os locais de detonação e de medição das vibrações, constantes nas tabelas apresentadas no Anexo I (Valores de vibração medidos e calculados). As operações de desmonte tinham, na fase inicial da escavação, ocorrência diária, geralmente no final de cada turno de 12 horas (período de trabalho de sete dias/semana, 24 horas/dia). Tendo em vista a minimização do incómodo das populações locais, foi estabelecido um horário, entre as 7 horas e 30 minutos e as 22 horas e 30 minutos, durante o qual era permitida a realização dos desmontes com explosivos. Com o avanço das frentes de escavação para o interior do maciço aumentou a distância às habitações, pelo que deixou de haver quaisquer restrições de horário na execução daquela actividade. As medições foram realizadas com base em desmontes da Abóbada, sendo que, em alguns dos turnos, foram realizadas detonações de menor amplitude, correspondentes ao rebaixamento do túnel norte, designado nos diagramas de fogo por Destroça. 72

91 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Figura Locais de medição de vibrações 73

92 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Relativamente às duas primeiras campanhas, oito dos locais, os numerados de 1 a 8, assinalados na figura 4.5, foram indicados pela empresa construtora, sendo representativos das zonas residenciais circundantes da zona de trabalhos onde alguns habitantes vinham a manifestar a sensação de incomodidade e de algum receio pela segurança das suas habitações. A inclusão dos locais restantes foi definida pelo LNEC, no decurso dos trabalhos, tendo como objectivo a criação de uma malha que abrangesse o maior número possível de pontos susceptíveis da influência das vibrações decorrentes das detonações. Os locais incluídos neste segundo conjunto foram identificados por letras, de A a N, exceptuando-se o identificado pela letra L, devido à alteração da programação dos trabalhos no quarto dia da primeira campanha, 25 de Setembro, facto que obrigou à reformulação dos locais de medição previstos. Tal como é do domínio público, entre aqueles dois períodos e a terceira campanha, verificaramse, por razões legais, três interrupções nos trabalhos de abertura dos túneis. Apesar disso, um ano depois, as frentes de escavação registavam um progresso de algumas centenas de metros, face ao período de medições anterior, pelo que se considerou já não ser justificável proceder a novos registos de vibrações junto a edifícios. Em sua substituição, procuraram-se, para instalação dos geofones, afloramentos rochosos o mais próximo da vertical das frentes de trabalho (túnel norte e túnel sul), com o objectivo do registo das vibrações à menor distância possível da sua fonte (Figura 4.6). Figura 4.6- Esquerda preparação do afloramento rochoso no local T1, para instalação do geofone. Direita - local de registo T6 O critério usado na selecção dos locais respeitantes à terceira campanha, T1 a T7, baseou-se na procura de afloramentos rochosos à menor distância possível das frentes de escavação e, nos casos dos pontos T3 e T4, de cada um dos lados da linha de água identificada na figura 4.7, com o objectivo de reproduzir as condições verificadas entre a primeira e a segunda campanha (surgimento de uma falha geológica). A escolha deste local decorreu da amplificação dos níveis de vibração na segunda campanha, face à primeira, apesar da redução 74

93 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão da carga máxima instantânea, fenómeno a investigar no decurso dos trabalhos da terceira campanha. Com o propósito de identificar eventuais fenómenos de amplificação em altura, foram colocados, nas edificações 1 e 2, geofones em diferentes pisos para registo simultâneo da mesma acção vibratória. No edifício 1 procedeu-se à instalação dos geofones nos seus três pisos: um no primeiro andar e outro no rés-do-chão, ambos na mesma prumada; o terceiro, na cave, foi colocado junto a um pilar, pela impossibilidade de acesso ao local na prumada dos outros dois geofones. Na habitação correspondente ao local 7 foram escolhidos dois pontos de registo para instalação dos geofones, sendo que o objectivo era o da colocação do segundo geofone numa habitação vizinha, a uma distância maior da detonação. Porém, devido à necessidade da alteração do programa de medições motivado pelo adiamento de uma pega de fogo, o comprimento dos cabos do sismógrafo aí instalado não o permitiu, optando-se pela sua colocação na soleira da garagem e num afloramento rochoso próximo. No local 8, pela impossibilidade da instalação de um dos geofones na soleira da porta da habitação optou-se, na primeira acção impulsiva, ocorrida em 26/09/09, por instalá-lo na sapata de fundação de um anexo e o segundo, na sapata do portão de entrada da propriedade, a uma cota superior. Nas restantes medições, realizadas a 27/09/09 e 28/10/09, o segundo geofone foi colocado num afloramento rochoso, junto ao portão de entrada, mantendo-se o primeiro no mesmo local da primeira medição. No local 3, o segundo geofone foi instalado no cruzeiro existente na intersecção de arruamento local com a Estrada Nacional 15 (local I), constatando-se neste último que as vibrações provocadas pela passagem dos camiões de transporte dos materiais provenientes da escavação dos túneis, sobre um remendo no pavimento, faziam actuar o sismógrafo. Por este motivo, o ponto de registo foi deslocado para o local O. Foram ainda registadas as vibrações induzidas pelos camiões junto à casa N Resultados obtidos No Anexo I, Valores de vibração medidos e calculados, relativos às três campanhas, são apresentados os resultados da velocidade de vibração das partículas do solo, segundo as componentes longitudinal (direcção fonte-receptor L ), vertical ( V ) e transversal (direcção transversal a L, no mesmo plano horizontal T ) e correspondente resultante ( R = ( 2 L + 2 T + 2 V )) 1/2, expressos em mm/s, e as frequências de vibração associadas, em Hz. 75

94 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Na Tabela 4.2 apresentam-se alguns dos valores registados pela circulação de viaturas e pessoas junto a diversos locais. A análise comparada desta tabela com os resultados apresentados no Anexo I permite verificar que a gama de velocidades de vibração devidas ao trânsito rodoviário apresenta, na generalidade das leituras, a mesma ordem de grandeza das originadas pelo uso de explosivos na obra. Tabela 4.2 Valores da vibração ambiente gerada pela circulação de viaturas, ou pessoas, próximo dos locais de monitorização 1, 2, 8, I, N, O e P Data T (1) V (1) L (1) v R (2) Freq. dominante (Hz) T (1) V (1) L (1) 20:03 0,111 0,222 0,079 0,233 11,7 2,38 9,13 23-Set-09 Habitação (local 1) Circulação de pessoas 20:26 0,064 0,159 0,064 0,159 49,3 26,1 2,88 0,111 0,127 0,079 0,144 29,1 2, Set-09 19:48 Restaurante (local 2) Circulação de pessoas 0,079 0,079 0,048 0,093 2,38 2 2,75 25-Set Set-09 Hora Velocidade de vibração (mm/s) 7:40 0,403 0,328 0,254 0,432 7:44 0,313 0,358 0,313 0,447 7:45 0,194 0,194 0,179 0,209 7:46 1,148 1,551 1,417 1,625 7:48 0,203 0,567 0,418 0,596 7:49 < 0,075 0,089 < 0,075 0,104 7:00 0,268 0,149 0,164 0,268 7:30 0,403 0,224 < 0,075 0,403 7:46 0,641 0,179 0,388 0,656 8:00 0,462 0,164 0,209 0,462 9:03 0,179 < 0,075 < 0,075 0,194 10:21 0,194 < 0,075 < 0,075 0,194 T (1) V (1) L (1) 7:20 0,079 0,143 0,111 0,153 2,38 25,1 25,3 7:21 0,079 0,159 0,111 0,165 2,13 23,5 24,2 7:41 0,079 0,175 0,079 0, , Local de registo Cruzeiro existente no entroncamento da R. N. Senhora dos Remédios com a E.N. 15 (local I) Habitação (local O) Habitação (local N) Observ. Circulação de camiões Circulação de camiões Circulação de camiões 19:21 < 0,075 < 0,075 < 0,075 0, Habitação (local 8) Circulação viatura ligeira 28-Out-09 7:20 0,119 0,149 0,089 0, Garagem (local P) Circulação de autocarro (1) L - Direcção Fonte - Receptor (2) v R =(v L2 +v V2 +v T 2 ) 1/2 V - Direcção Vertical T - Direcção Transversal a L Em dois dos locais de registo, casa 1 e casa 6, relativamente próximas da fonte, os valores medidos situaram-se na vizinhança dos limites de actuação dos aparelhos, pelo que se optou por não efectuar registos nas restantes habitações, mais afastadas da fonte e, por conseguinte, com probabilidades reduzidas de qualquer registo de vibrações. O processo de monitorização foi assim alargado a uma área mais vasta que não incluísse apenas as habitações cujos proprietários tinham apresentado reclamações junto da construtora. Após a consulta aos planos de fogo monitorizados na primeira campanha, verificou-se que a carga máxima instantânea utilizada no túnel sul era de cerca de metade da empregue no túnel norte quer na Abóbada, quer na Destroça. Considerando que a escavação do túnel norte se aproximava da povoação de Viariz da Poça, o LNEC propôs à empresa construtora a realização de uma campanha de medições complementar, com o objectivo de registar as vibrações induzidas pelos trabalhos de escavação deste túnel. A análise dos diagramas de fogo permitiu ainda verificar que, se a carga máxima instantânea fosse reduzida, os níveis das 76

95 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão vibrações ocorrentes, teoricamente, seriam menores e, com isso, o incómodo causado aos habitantes. Estas indicações tiveram boa receptividade junto da construtora e conduziram, após a modificação dos diagramas de fogo, à realização de uma segunda campanha de medições nos dias 27 e 28 de Outubro de No decurso desta campanha os trabalhos viriam a ser prejudicados pela realização de uma sondagem geológica de avanço no túnel norte e por uma avaria no equipamento de perfuração no túnel sul, pelo que só foi possível o registo das vibrações na manhã do dia 28. Segundo informação dos responsáveis pela produção nesta frente da obra, com esta sondagem foi identificada uma zona de falha. Na Tabela 4.3 indicam-se os registos das medições efectuadas nos locais monitorizados no decurso das duas primeiras campanhas. Tabela 4.3 Valores registados e calculados em cada um dos locais de medição das vibrações nas duas campanhas de 2009, dispostos por ordem cronológica de registo* Campanhas Túnel Data e hora Recepção Local Distância Fonte - Recepção D (m) Velocidade de vibração medida v R (mm/s) Norte 22/09 às 19:48 A 363,8 0,552 Norte 22/09 às 19:48 1a 428,4 0,268 Sul 23/09 às 07: ,6 0,089 Sul 23/09 às 07: ,6 0,104 Sul 23/09 às 07:40 C 286,3 0,381 Sul 23/09 às 07:40 B 235,7 0,898 Sul 23/09 às 13:57 C 254 0,222 Sul 23/09 às 13:57 D 214,4 0,287 Norte 23/09 às 19: ,2 0,089 Norte 23/09 às 19:10 1b 277,9 0,221 1ª Campanha - Setembro ª Campanha - Outubro 2009 Norte 23/09 às 19:10 1c 277,3 0,194 Norte 23/09 às 22:20 1b 432,5 0,792 Norte 23/09 às 22:20 1c 432,1 0,228 Sul 24/09 às 07:39 1a 310,7 0,209 Sul 24/09 às 07: ,4 0,104 Sul 24/09 às 07:39 1b 311 0,608 Sul 24/09 às 07:39 1c 310,5 0,128 Norte 24/09 às 22:19 F 597,6 0,164 Norte 24/09 às 22:19 2a 630,6 0,162 Norte 24/09 às 22:19 2b 629,6 0,098 Sul 25/09 às 07:43 I 745,4 0,164 Sul 26/09 às 08:13 O 728,9 0,164 Sul 26/09 às 08:13 H 380,5 0,537 Sul 26/09 às 08:13 N 426,1 0,226 Norte 26/09 às 10:19 O 872,1 0,164 Sul 26/09 às 19:44 8a 433,7 0,567 Sul 26/09 às 19:44 8b 452,9 0,224 Sul 27/09 às 07:52 M 408,2 0,224 Sul 27/09 às 07:52 P 446,2 0,328 Sul 28/10 às 07:55 8b 384,9 0,671 Sul 28/10 às 07:55 P 425,5 0,298 Sul 28/10 às 07:55 Mb 373,7 0,270 Sul 28/10 às 07:55 8c 363,8 0,449 Norte 28/10 às 08:02 8b 337 0,477 Norte 28/10 às 08:02 P 420,9 0,254 Norte 28/10 às 08:02 Mb 344,7 0,240 Norte 28/10 às 08:02 8c 326 0,553 * foram retirados da tabela os pontos onde a velocidade de vibração registada ficou aquém dos valores mínimos de actuação dos sismógrafos, os quais constam no Anexo I Valores de vibração medidos e calculados 77

96 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Nos trabalhos desta segunda campanha, levados a cabo, tal como havia sido sugerido, apenas em Viariz da Poça, optou-se pela instalação do sismógrafo mais sensível (Sinco S-6) no local mais próximo da casa 8 (soleira do anexo) e, no local mais afastado (P), na soleira da garagem, onde, teoricamente, a vibração registada seria menor. Procedeu-se ainda à alteração do local de registo na casa M, deslocando o geofone do portão de entrada na propriedade para o patamar da entrada principal da habitação Interpretação dos resultados obtidos Na primeira campanha de medições, em Setembro de 2009, os valores mais elevados das velocidades de vibração foram registados no local de referência, ponto A, plataforma exterior junto à habitação onde estava contratualmente estabelecido com a EPOS efectuar os registos sistemáticos em cada pega de fogo. Na fase inicial dos trabalhos era este o local mais próximo da frente de avanço das escavações, se bem que as condições de solidarização da estrutura monitorizada com a fundação não fossem as mais adequadas, o que poderá ter desvirtuado, de certo modo, os valores da velocidade de vibração aí medidos. Devido a este facto, numa solicitação posterior, instalou-se o geofone no ponto B, fronteiro a A. Nas habitações, os valores mais significativos ocorreram na casa 1 e na casa 8, esta última na segunda campanha. Na casa 1, verificou-se existir um fenómeno de amplificação para os pisos superiores, conforme evidenciado nos registos. Como foi referido anteriormente, neste local foram feitas leituras na cave, (1c), rés-do-chão, (1a), e 1º andar, (1b). Na casa 8, constatou-se existir entre as duas primeiras campanhas, por comparação das detonações de um mesmo túnel, um aumento do nível vibratório, pese embora a redução da carga máxima instantânea adoptada na implementação do plano de fogo modificado. No túnel norte, assistiu-se a um acréscimo na carga total de explosivos do plano de fogo da campanha inicial para o da segunda, mas a uma redução para metade na carga máxima instantânea. A previsão da ocorrência de níveis vibratórios mais elevados resultantes dos desmontes do túnel norte, atendendo à sua proximidade à casa 8, comparativamente com os do túnel sul, não se verificou. Os trabalhos efectuados nas duas primeiras campanhas de medição permitiram concluir, com os dados então disponíveis, através da aplicação da NP 2074, pela insuficiência dos níveis de vibração registados quanto a potenciais danos de carácter estrutural nas edificações monitorizadas (equação 4.1). 78

97 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Verifica-se que as velocidades de vibração medidas em 2010, em cada um dos 7 pontos seleccionados (T1 a T7) são, na sua generalidade, substancialmente mais elevadas do que as obtidas nas duas campanhas anteriores, havendo a destacar particularmente o ponto T3, no qual foram registados seis eventos (Tabela 4.4). A localização deste ponto, relativamente às frentes de escavação dos túneis, cerca de 200 m ao túnel sul, e cerca de 260 m ao túnel norte, é, exceptuando o ponto T2, que distava, à data, 150 m do túnel sul, a que apresenta a menor distância entre a fonte das vibrações e o local de recepção. Tabela Valores registados e calculados em cada um dos 7 locais de medição das vibrações na campanha de 2010 Túnel Data e hora Recepção Local Distância Fonte - Recepção D (m ) Velocidade de vibração medida v R (mm/s) Sul 21/09 às 18:20:34 T1 440,1 0,476 Sul 21/09 às 18:20:40 T1 440,1 0,288 Sul 22/09 às 10:22:33 T2 150,6 2,690 3ª Campanha - Setembro 2010 Sul 22/09 às 10:22:38 T2 150,6 1,760 Norte 23/9 às 00:05:51 T3 261,4 5,383 Sul 23/9 às 01:59:59 T3 191,5 > 7,5 Sul 23/9 às 01:59:59 T4 181,0 4,235 Norte 23/9 às 00:05:51 T4 278,8 0,731 Norte 23/09 às 00:08:35 T5 250,1 1,060 Norte 23/09 às 00:08:40 T5 250,1 0,591 Sul 23/09 às 02:02:42 T5 338,2 1,550 Sul 23/09 às 02:02:47 T5 338,2 0,721 Norte 23/09 às 16:45:41 T3 264,8 6,310 Norte 23/09 às 16:45:46 T3 264,8 2,420 Sul 23/09 às 18:01:19 T3 193,4 8,610 Sul 23/09 às 18:01:25 T3 193,4 5,760 Norte 23/9 às 16:43:02 T6 242,2 2,090 Norte 23/9 às 16:43:02 T7 194,3 2,980 Na Figura Identificação dos locais de realização dos trabalhos no decurso das três campanhasidentificamse os 7 locais onde foram instalados os geofones para medição das vibrações, assim como os perfis de prospecção geofísica. Visando o enquadramento de todos os trabalhos realizados nas três campanhas, reproduzem-se também os 23 locais monitorizados nas duas primeiras campanhas. 79

98 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura Identificação dos locais de realização dos trabalhos no decurso das três campanhas 80

99 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Com o equipamento Minimate foi possível obter em 2010 dois registos em cada desmonte, devido ao facto de a janela de tempo utilizada para recepção das vibrações ser inferior à duração total do conjunto de disparos que constituem cada desmonte, para além de o nível de vibração ser superior ao nível de actuação programado no aparelho. Os planos de fogo foram iguais, em qualquer dos desmontes monitorizados, sendo a carga máxima instantânea de 43,63 kg aos 500 ms, para um total de 704,51 kg de explosivo distribuído por 147 furos (Anexo IV). Alguns exemplos dos registos de vibração obtidos, de ambos os sismógrafos, constam nos Anexos V e VI. Um dos objectivos da terceira campanha era verificar em que medida a existência de uma zona de falha, detectada na frente de trabalho à data da segunda campanha, poderia conduzir à existência de uma direcção preferencial de propagação das vibrações. Recorda-se que, entre a primeira e a segunda campanha, se assistiu a um aumento do nível vibratório junto ao local 8, ainda que, nesta última, tenha havido uma alteração no plano de fogo com vista a reduzir a carga máxima instantânea (Anexos II e III), o que, à luz dos elementos então disponíveis, poderia ficar a dever-se à presença daquele acidente geológico. Para avaliar aquela hipótese, na terceira campanha, procedeu-se ao registo das vibrações em cada uma das vertentes que formam entre si uma linha de água acentuada, pontos T3 e T4 (Figura 4.8 e Figura 4.9), investigando-se se as incidências geológicas que estiveram na sua génese poderiam, de algum modo, ser a causa da alteração do nível de vibrações. Foram efectuados registos com ambos os sismógrafos (Minimate e Sinco-6) em diferentes locais, para acções impulsivas distintas, alternando-se a posição dos dois equipamentos (pontos T3, T4 e T5, em dois desmontes, e T3, T6 e T7, num outro desmonte) para confirmar o fenómeno da amplificação do nível vibratório nestes locais, especialmente notório no ponto T3, comparativamente aos pontos T1 e T2. Figura 4.8 Vista geral da linha de água entre as duas vertentes (orientação NE-SW) 81

100 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas Figura 4.9 Esquerda - Vista geral da linha de água entre as duas vertentes (orientação SW NE). Direita Instalação do geofone no local T3 A partir destes resultados, e para uma leitura mais simples dos valores obtidos, foi produzido um mapa de velocidades de vibração com os valores máximos registados em cada local, independentemente da fonte (Figura 4.10) P b8a 8c Mb M b 1a 1c BA D C 6 N H F 2b 2a O I Velocidade de vibração (mm/s) P b M 8a 8c Mb b 1a 1c AB D C 6 N F2b 2a H O I T3 T4 T T5 T6 T7 T Velocidade de vibração (mm/s) Legenda Explosões da campanha inicial Explosões da campanha complementar Explosões da campanha de 2010 Figura 4.10 Mapas da velocidade de vibração das campanhas de 2009 (topo) e do conjunto das três campanhas (baixo); encontram-se assinalados a negro (marcas +) os locais de registo de vibrações considerados para a elaboração do mapa). 82

101 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Estes mapas deverão ser interpretados tendo em conta que as medições não foram realizadas simultaneamente em todos os pontos, pelo que a sua origem é diversa, sendo que as vibrações registadas eram provenientes de desmontes em ambos os túneis, encontrando-se o avanço da frente sul cerca de 100 m mais próximo do emboquilhamento do túnel. É especialmente evidente nas duas primeiras campanhas, figura de topo, que, com o afastamento dos locais de registo à fonte, se assistiu à redução progressiva do nível vibratório. Assinala-se também que, pelo facto dos locais seleccionados para a medição de vibrações na campanha de 2010 (Anexo I) se situarem sobre os túneis, os valores mais elevados de cada disparo foram registados na componente vertical, contrariamente ao que havia sucedido nas duas anteriores, onde as componentes longitudinal e transversal apresentaram, na generalidade, os valores mais altos. Essa constatação pode ser confirmada, por exemplo, na Tabela 4.5, relativa aos resultados obtidos na campanha de Outubro de Verificou-se, a partir dos dados obtidos, que, para distâncias idênticas, em 2009 e em 2010, os valores de vibração são igualmente idênticos. Tabela 4.5 Valores medidos e calculados em Outubro de 2009 Data e hora 28/10/ :55 28/10/ :02 Fonte Recepção Distância Velocidade de vibração (mm/s) X Y Z Local X Y Z Tiro-geofone (m) T (1) V (1) L (1) v R (2) , ,98 780,40 8b , ,70 808,20 384,9 0,522 0,447 0,626 0, , ,98 780,40 P , ,30 793,94 425,5 0,239 0,194 0,298 0,298 Freq. dominante (Hz) T (1) V (1) L (1) , ,98 780,40 Mb , ,73 812,02 373,7 0,175 0,190 0,222 0,270 13,1 12,8 12, , ,98 780,40 8c , ,19 813,02 363,8 0,429 0,444 0,206 0,449 77,8 53,6 9, , ,04 778,92 8b , ,70 808,20 337,0 0,403 0,283 0,403 0, , ,04 778,92 P , ,30 793,94 420,9 0,209 0,194 0,239 0,254 T (1) V (1) L (1) , ,04 778,92 Mb , ,73 812,02 344,7 0,175 0,222 0,222 0,240 13,2 42,1 13, , ,04 778,92 8c , ,19 813,02 326,0 0,365 0,317 0,540 0,553 85,4 53,6 19, (1) L - Direcção Fonte - Receptor (2) v R =(v L2 +v V2 +v T2 ) 1/2 V - Direcção Vertical T - Direcção Transversal a L 4.8. Propriedades dinâmicas dos terrenos Tendo em vista a caracterização dinâmica dos terrenos junto às habitações monitorizadas, foram executados cinco perfis de refracção sísmica com uma extensão unitária de 46 m, materializados com 24 geofones e 5 posições de tiro. Como fonte geradora da onda sísmica de compressão foi usada uma marreta com uma massa de 5 kg. Nas figuras seguintes apresentam-se alguns registos fotográficos da execução dos perfis de refracção sísmica. 83

102 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas 8b 8a P 8c Figura Esquerda Perfil PS3 (vista de NE para SW). Direita - Perfil PS4 (vista de SW para NE). Assinalam-se os locais de registo de vibrações nas campanhas anteriores C C A D B E Figura 4.12 A Alinhamento do perfil PS3. B Casa 8, junto ao perfil PS3 (Viariz da Poça). C Trabalhos preparatórios para a realização do perfil PS5. D Captação das ondas sísmicas no perfil PS5. E - Leitura das coordenadas topográficas no extremo oeste do perfil PS5 84

103 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Executou-se ainda um perfil de resistividade eléctrica entre os locais T3 e T4 e a casa 8, atravessando a linha de água, para averiguar a homogeneidade, ou a heterogeneidade, do maciço rochoso na zona (Figura 4.13 e Figura 4.14). Figura Vista geral do perfil de resistividade Figura Esquerda -Vista do perfil de resistividade na zona da linha de água. Direita Montagem do equipamento Nas figuras seguintes, apresentam-se os modelos obtidos para os perfis de refracção sísmica. Atendendo a que, na norma portuguesa NP-2074, a velocidade de propagação das ondas de compressão tem por fronteiras os valores de m/s e de m/s, destacam-se, em cada modelo, as isolinhas correspondentes. Em cada perfil encontram-se representadas as edificações vizinhas, nas quais se procedeu à monitorização de vibrações nas campanhas anteriores. 85

104 Vibrações Induzidas pela Escavação Subterrânea de Maciços Rochosos com recurso a Explosivos e seus eventuais Impactes nas Estruturas W E SE NW Distância ao início do perfil (m) 1 Distância ao início do perfil (m) Cota (m) Cota (m) iterações com erro RMS= 2.2 % iterações com erro RMS=2.7 % Velocidade (m/s) Velocidade (m/s) Figura Modelos para os perfis de refracção sísmica PS1 (esquerda) e PS2 (direita) SW 8a NE Distância ao início do perfil (m) M SW Distância ao início do perfil (m) P NE Cota (m) 805 Cota (m) iterações com erro RMS = 1.9 % iterações com erro RMS = 2.4 % Velocidade (m/s) Velocidade (m/s) Figura Modelos para os perfis de refracção sísmica PS3 (esquerda) e PS4 (direita) SW N Distância ao início do perfil (m) F NE Cota (m) iterações com erro RMS = 1.3 % Velocidade (m/s) Figura Modelo para o perfil de refracção sísmica PS5 86

105 Capitulo 4 - Caso de Estudo, de análise das vibrações na construção dos túneis do Marão Nas duas primeiras campanhas, desconhecendo-se as velocidades de propagação das ondas sísmicas nos terrenos de fundação dos edifícios monitorizados, considerou-se, para aplicação da norma portuguesa, que estes se encontravam fundados em rochas e solos coerentes rijos. Da conjugação das condições de fundação dos edifícios e das respectivas características construtivas, e considerando a realização de mais de três pegas de fogo diárias (γ= 0,7), os valores, para cada litologia, são os constantes na Tabela 4.6. Tabela 4.6 Valores limite da velocidade de vibração, de acordo com a norma NP 2074, em função do terreno de fundação considerado para cada local e das características do edificado (mais de três detonações diárias) Rochas e solos coerentes rijos ( > 2000 m/s) Solos coerentes muito duros (1000 m/s < < 2000 m/s) α Solos incoerentes soltos ( < 1000 m/s) 2 1 0,5 β V L (mm/s) Construções frágeis/fraca qualidade 0,5 7 Construções correntes 1 14 Construções frágeis/fraca qualidade 0,5 3,5 Construções correntes 1 7 Construções frágeis/fraca qualidade 0,5 1,75 Construções correntes 1 3,5 Verifica-se que, para aquele tipo de terrenos, e independentemente do tipo de construções, os valores da velocidade de vibração medidos em qualquer um dos locais monitorizados (Tabela 4.3) ficaram muito aquém dos máximos legais. Na figura seguinte, apresentam-se os modelos obtidos para o perfil de resistividade eléctrica. O perfil foi executado com dois dispositivos - Wenner e dipolo-dipolo. Optou-se pela utilização destes dois dispositivos devido ao facto de o primeiro ser menos sensível a elevadas resistências de contacto, o que pode gerar elevados erros de leitura e consequentes erros de processamento, enquanto o segundo é mais sensível a variações laterais da resistividade, i.e., estruturas verticais. NW SE Figura Modelos obtidos para o perfil de resistividade eléctrica executado, com os dispositivos de Wenner (em cima) e dipolo-dipolo (em baixo) 87

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