Nuno Miguel Dias da Costa Malfeito Licenciatura em Engenharia Civil Equações de Previsão dos Movimentos Sísmicos à Superfície para a Região Autónoma dos Açores Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Ramo de Estruturas e Geotecnia Orientador: Co-orientador: Doutora Alexandra Maria Rodrigues de Carvalho, LNEC Prof. Doutor João Paulo Bilé Serra, LNEC/FCT-UNL Júri: Presidente: Arguente: Vogais: Prof. Doutor Armando Manuel Sequeira Nunes Antão Profª. Doutora Maria Paula Pompeu de Miranda Rodrigues de Teves Costa Doutora Alexandra Maria Rodrigues de Carvalho Prof. Doutor José Nuno Varandas Janeiro 2015
EquaçõesdePrevisãodosMovimentosSísmicosàSuperfícieparaaRegiãoAutónomadosAçores Copyright NunoMiguelDiasdaCostaMalfeito,FaculdadedeCiênciaseTecnologia,Universidade NovadeLisboa AFaculdadedeCiênciaseTecnologiaeaUniversidadeNovadeLisboatêmodireito,perpétuoesem limitesgeográficos,dearquivarepublicarestadissertaçãoatravésdeexemplaresimpressos reproduzidosempapeloudeformadigital,ouporqualqueroutromeioconhecidoouquevenhaa serinventado,edeadivulgaratravésderepositórioscientíficosedeadmitirasuacópiae distribuiçãocomobjectivoseducacionaisoudeinvestigação,nãocomerciais,desdequesejadado créditoaoautoreeditor.
Agradecimentos Agradecimentos Arealizaçãodestadissertação,intituladaEquaçõesdePrevisãodosMovimentosSísmicosàSuperfície Para a Região Autónoma dos Açores, resultou do trabalho desenvolvido pelo autor no Núcleo de Engenharia Sísmica e Dinâmica de Estruturas (NESDE) inserido no Departamento de Estruturas do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), no âmbito da obtenção do grau de mestre em EngenhariaCivilequesófoipossívelgraçasàcontribuiçãodediversaspessoaseentidadesaquem seexprimemosmaissincerosagradecimentos: Ao Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), na pessoa do Investigador Carlos AlbertodeBritoPina,pelaoportunidade,tempoemeiosconcedidosparaaminhaformação eparaarealizaçãodestetrabalho. Ao Director do Departamento de Estruturas, Investigador José Manuel Rosado Catarino, agradeço de forma idêntica pela oportunidade, tempo e meios para a realização deste trabalho. AoChefedoNúcleodeEngenhariaSísmicaeDinâmicadeEstruturas,InvestigadorAlfredo Peres de Noronha Campos Costa, pelo tempo e meios concedidos, pelos conhecimentos transmitidosetodaaajudaprestadanoâmbitodousoedesenvolvimentodosimuladorde cenáriossísmicos. ÀDoutoraAlexandraMariaRodriguesdeCarvalho,orientadoradestetrabalhonoLNECe amiga,pelasuasabedoriaepartilhadeconhecimentos,queemmuitocontribuíramparaa minhaformaçãocientífica,portodooapoioedisponibilidadeprestadosaolongodetodoo trabalhoepelaminhaintegraçãonainstituição. Ao Investigador João Paulo Bilé Serra, coorientador desta tese, no Departamento de Geotecnia do LNEC pelo apoio e conhecimentos transmitidos nas diversas matérias, em particularnodesenvolvimentodocapítulo3. À Experimentadora Dra. Anabela Soares Marques Martins por todo o apoio e ajuda prestadanodesenvolvimentodetodasasrotinasquepermitiramocapítulo4. AoInvestigadorPauloXavierCandeias,portodaaajudaprestadanodesenvolvimentodas rotinas de cálculo, amizade e pela sua disponibilidade para a orientação do estágio profissionalparaaordemdosengenheiros. A todas as restantes pessoas que fazem parte da equipa do NESDE por todo o apoio prestadoepelafácilintegraçãodaminhapessoanaequipa. AgradeçoaindaacolegasdoNESDEquedeformadirectaouindirectacontribuíramparaopresente trabalho. AosInvestigadoraEmaCoelho,InvestigadorAntónioCorreia,InvestigadoraAnaMarquese EngenheiroNunoAfonsopelaamizadeebomambientequeproporcionaotrabalhodiário maisagradável. I
EquaçõesdePrevisãodosMovimentosSísmicosàSuperfícieParaaRegiãoAutónomadosAçores Dirijoaindaumapalavradeagradecimentomuitoespecialàminhafamília,emparticularaosmeus pais, irmão e à Catarina pelos sacrifícios, paciência e apoio prestado durante todo o percurso académicoenoperíodododesenvolvimentodestetrabalho. EfinalmenteagradeçoatodososamigoseemparticularaoAfonso,André,Inês,MafaldaeTiagoque de forma directa ou indirecta contribuíram para que este trabalho fosse uma realidade. II
Resumo Resumo Umdosprincipaisproblemaseinteressesdaengenhariasísmicaprendesecomaprevisãodosefeitos queeventossísmicosfuturospossamprovocaràsuperfíciedoterrenodeumdadolocalquepermitao desenvolvimento de estratégias de prevenção e mitigação de efeitos assim como de estratégias que visemincrementararesiliênciadaregiãoemquestão. Estaprevisãorequerinformaçãorelativaqueramovimentossísmicosocorridosanteriormentequerao solo existente no local a fim de se estabelecer uma relação entre as características de eventos e os deslocamentos verificados à superfície. Para a região Autónoma dos Açores ambos os conjuntos de informaçãodisponívelrevelamseemnúmeroinsuficienteparaquedaíresulteumaanáliseadequada. Nosentidodecontribuirparaaresoluçãodoproblemaapresentado,opresentetrabalhorecorrenum primeiro momento à metodologia estatística para a elaboração de colunas de solo, com caracter sintético,quepermitamacolmataçãodaslacunasexistentesnabasededadosdaregião. Numsegundomomentorecorreseaomodelodepropagaçãounidireccionaldeondasdecorteatravés deumacolunadesolo,comoformadeavaliarosefeitosqueumconjuntodeacçõessísmicasproduzem no topo da coluna fazendose recurso do conjunto de colunas sintéticas, elaborado no presente trabalho, assim como da base de dados de acções sísmicas, de caracter sintético, existente para o afloramentorochosonoarquipélagodosaçores. Daavaliaçãodomododepropagaçãodeondassísmicasresultaumconjuntodeespectrosqueservem de base à elaboração de equações de previsão dos movimentos sísmicos para os diferentes tipos de terrenodaregião. Palavraschave: Metodologia Estocástica, Perfis Estratigráficos Sintéticas, Propagação de Ondas Sísmicas,SismoàSuperfície,EquaçõesdePrevisãodeMovimentos. III
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Abstract Abstract One of the main problems and issues of earthquake engineering is the prediction of the effects at surface level caused by seismic events in order to provide valuable data that support decisions to mitigateseismicriskforoneregion. Thesepredictionsrequireinformation relativetopreviousseismicrecordsandinformationabout the soil structure in order to establish a relation between the characteristics of a seismic event and the groundmotionobservedatthesurface. FortheregionofAzores,neithertheexistingrecordsnortheinformationaboutthesoilsaretenoughto develop a statistical analysis to the existing records.in order to solve the presented problem, the authoradoptsonafirstinstancestatisticmethodstomodelingsyntheticsoilcolumnssothatitcould closegapsontheregiondataaboutthesoilstructure. Onasecondinstance,thestudyappliestheonedimensionalshearwavepropagationmodeltrougha soil column in order to evaluate how the energy is transmitted to the surface. For the analysis the syntheticsoilcolumnsgeneratedpreviouslyareused,togetherwithagroupofsyntheticseismicactions generatedpreviouslytothisstudybyapplyingfinitefaultmethodologies. From the seismic wave propagation analysis results a set of response spectra at the surface that are usedtodevelopgroundmotionpredictionequationsfortheregionofazores. Keywords:StochasticMethodology,SyntheticSoilColumns,SeismicWavesPropagation,SeismicEffect atthesurface,groundmotionpredictionequations. V
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Índice 1. 2. 3. Índice Introdução...1 1.1. IntroduçãoeEnquadramento...1 1.2. ObjectivosdoPresenteTrabalho...3 1.3. EstruturadaDissertação...4 MetodologiaEstocásticaparaSimulaçãodeEventosSísmicosàSuperfície...5 2.1. Introdução...5 2.2. MetodologiaEstocásticaparaaModelaçãodeEventosSísmicos...6 2.2.1. Caracterizaçãodeprocessosestocásticos...7 2.2.2. Obtençãodeespectrosdepotênciaapartirdeumespectroderesposta...11 2.3. AvaliaçãodaRespostadoSoloaAcçõesCíclicascomCarácterSísmico...13 2.3.1. Modelaçãodascamadasdesolo...14 2.3.2. Aplicaçãodapropagaçãodeondasparaavaliaçãodosdeslocamentosdosolo.15 2.3.3. Avaliaçãodarespostadosoloaacçõescíclicasdecaractersísmico...18 2.3.4. Modelolinearequivalente...20 2.3.5. Abordagemestocásticaparaaobtençãodarespostadosolo...23 2.4. ComentáriosFinais...25 ModelaçãodePerfisEstratigráficosparaoArquipélagodosAçores...27 3.1. Introdução...27 3.2. EnquadramentoRegional...28 3.3. ModelosdePerfisEstratigráficosparaoArquipélagodosAçores...30 3.3.1. Propriedadesdemateriaisconstituintes...31 3.3.2. Modelosdebasedeperfisestratigráficos...33 3.3.3. Hipótesessimplificativasaefectuar...35 3.3.4. Modelosrepresentativosdosperfisestratigráficosdesolo...36 3.4. ComparaçãocomosModelosExistentes...42 3.5. GeraçãodePerfisEstratigráficosSintéticos...43 3.5.1. Metodologiaparaageraçãodosperfissintéticos...43 3.5.2. Aplicaçãodametodologiaparaageraçãodecolunasdesolosintéticas...44 3.6. ComentáriosFinais...44 VII
Índice 4. Simulação de Movimentos Sísmicos Superficiais e Equações de Previsão de Movimentos...45 4.1. Introdução...45 4.2. SimulaçãodeMovimentosIntensosàSuperfíciedoSolo...47 4.3. TratamentoEstatísticodaBasedeDados...49 4.3.1. Validaçãodametodologiaparatratamentoestatísticodosdados...50 4.4. EquaçõesdePrevisãodosMovimentosIntensosdoSolo...51 4.4.1. Metodologiaparaestimativadoscoeficientesdeatenuação...52 4.4.2. Resultadosobtidos...53 4.4.3. Análisedosresultadosobtidos...57 4.5. ComparaçãocomEquaçõesExistentesqueConsideremoComportamentoNãoLineardos Solos...60 4.6. AplicaçãodosResultadosObtidosaumRegistoReal...63 4.6.1. Eventosísmicoconsiderado...64 4.6.2. Tipodesolodolocal...64 4.6.3. Comparaçãoespectralentreoregistoeasestimativasobtidaspelasequaçõesdo presenteestudo...65 4.7. ComentáriosFinais...67 5. ConclusõeseDesenvolvimentosFuturos...69 5.1. PrincipaisConclusões...69 5.2. DesenvolvimentosFuturos...70 6. Bibliografia...73 AnexosACalibraçãodaRotinadeCálculoAutomático Geradados...A1 Anexos BComparaçãodosEspectrosdeRespostaObtidospelaAplicaçãodasEquações debooreeatkinson(2006)comosobtidosatravésdasequaçõesdesteestudo...b1 VIII
ÍndicedeFiguras ÍndicedeFiguras Figura1.1FluxogramadoprojectoSiGMACaracterizaçãodaAcçãoSísmicanoArquipélagodos Açores...2 Figura2.1realizaçõesdeumprocessoestocástico...6 Figura2.2Exemplodefactorizaçãodeumprocessonãoestacionário...6 Figura2.3 Critériosdeparagem,paraoalgoritmodecálculodoespectrodepotência...11 Figura2.4 EsquemadaRotinaPotência...13 Figura2.5 Elementoinfinitesimalsujeitoaumatensãodecortenadirecçãohorizontal...14 Figura2.6 ModelodosólidodeKelvinVoigt...14 Figura2.7 Ciclodehisteresedeumacamada,devidoàaplicaçãodeumacargacíclica...15 Figura2.8 Exemplodadecomposiçãodeumaondanafronteira...16 Figura2.9 Referencialespacialconsiderado...18 Figura2.10 Exemplodeumciclodehisteresedeumsolo...20 Figura2.11 Curvasdedegradaçãodomódulodecorte,paratensãodeconfinamentode10kPa..21 Figura2.12 Curvasdeevoluçãodaenergiadissipada,paratensãodeconfinamentode10kPa...21 Figura2.13 Exemplodeobtençãodosparâmetroserelativosàdeformação...22 Figura2.14 Fluxogramadarotinadecálculodoespectroderespostaàsuperfície...24 Figura3.1 EnquadramentogeotectónicodosAçores(adaptadodeForjaz,1988)...28 Figura3.2 ClassificaçãodaactividadevulcânicapropostaporCaseWright(1987)...29 Figura3.3 Esquemadefaseseruptivaseprodutoscorrespondentes...29 Figura3.4 ModelosestratigráficospropostosporMalheiroeNunes(2007)...33 Figura3.5 ModelosdeperfisestratigráficospropostosporTevesCostaeVeludo(2013)...34 Figura3.6 ModelosdeperfisestratigráficosparaaRegiãoAutónomadosAçores...37 Figura3.7a Perfisdemassavolúmica,velocidadedepropagaçãodeondasdecorteeíndicede plasticidadeparaperfildetipo1...39 Figura4.1 Fluxogramadofuncionamentodarotina Geradados...48 Figura4.2 Truncaturadoquantilhobilateralde5%paraumadistribuiçãoGaussiana...50 Figura4.3 Espectrosderespostaemaceleraçãoparaafloramentorochosoeparaosseistiposde perfil,considerandoumcenáriodemagnitude 4,1paraasdistânciasde10,50e100km...58 Figura4.4 Espectrosderespostaemaceleraçãoparaafloramentorochosoeparaosseistiposde perfil,considerandoumcenáriodemagnitude 5,3paraasdistânciasde10,50e100km...58 Figura4.5 Espectrosderespostaemaceleraçãoparaafloramentorochosoeparaosseistiposde perfil,considerandoumcenáriodemagnitude 6,5paraasdistânciasde10,50e100km...59 Figura4.6 Valoresdeaceleraçãoespectralparamagnitude 5,3paraosperíodosde0,3se1 s...60 Figura4.7 Comparaçãodosespectrosderespostadeaceleraçãoobtidospelaaplicaçãodas equaçõesdebooreeatkinson(2006)comasequaçõesobtidasnesteestudo,paraocenário 5,3, 50km...62 Figura4.8 EspectrosdeaceleraçãoparaosregistosobtidosnaestaçãoGZC,paraaleideprevisão desteestudo(considerandooevento 6,1, 113kmeperfildotipo1)...65 IX
ÍndicedeFiguras Figura4.9 EspectrosdeaceleraçãoparaosregistosobtidosnaestaçãoGZC,paraaleideprevisão desteestudo(considerandooevento 6,1, 113kmeperfildotipo2)...65 Figura4.10 EspectrosdeaceleraçãoparaosregistosobtidosnaestaçãoGZC,paraaleideprevisão desteestudo(considerandooevento 6,1, 113kmeperfildotipo6)...66 X
ÍndicedeQuadros ÍndicedeQuadros Quadro3.1 PropriedadesdemateriaisgeotécnicosdosperfisestratigráficosparaoArquipélagodos Açores...32 Quadro3.2 Propriedadesdomaterialqueconstituiosubstratorochosoparaosperfis estratigráficosparaoarquipélagodosaçores...36 Quadro3.3 Númerodeestratos,espessurasmínimas,máximaseintervalosdevaloresde espessurasparacadaestratodosperfis...38 Quadro3.4 Coeficientedevariaçãoparaosdiferentesmateriaispresentesnossolos...39 Quadro4.1 Conjuntodefrequênciasparaanálise[Hz]...46 Quadro4.2 CaracterizaçãoestatísticadaAmostra,(perfildotipo2)anteseapósremoçãode outliers...50 Quadro4.3 CaracterizaçãoestatísticadaAmostra,(perfildotipo4)anteseapósremoçãode outliers...50 Quadro4.4 CoeficientesdaEPMSparaafloramentorochoso...53 Quadro4.5 CoeficientesdaEPMSparaoperfiltipo1...54 Quadro4.6 CoeficientesdaEPMSparaoperfiltipo2...54 Quadro4.7 CoeficientesdaEPMSparaaoperfiltipo3...55 Quadro4.8 CoeficientesdaEPMSparaoperfiltipo4...55 Quadro4.9 CoeficientesdaEPMSparaoperfiltipo5...56 Quadro4.10 CoeficientesdaEPMSparaoperfiltipo6...56 Quadro4.11 Valoresdeparaosconjuntosdeperfisdesolo...61 Quadro4.12 Valoresdemédioparaosprimeirosquatroestratosdosperfisdesolo...64 XI
ÍndicedeQuadros XII