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UNL FCT DEC Engenharia Sísmica 2001/2002 Acetato 1Responsável: João P. Bilé Serra

Aula 1

Sismos.

Razões para a notoriedade dos sismos.

Perigo e risco sísmicos.

Sismologia. Engenharia Sísmica.

Projecto sismo-resistente em Engenharia Civil.

Efeitos dos sismos.

Sismicidade histórica e instrumental.

Um sismo histórico: o de 1 de Novembro de 1755 em

Lisboa.


Sismo. Processo de rotura. Falha.

Energia de deformação. Propagação. Dissipação de energia.

Manifestações superficiais. Movimentos alternados muito rápidos.

Roturas superficiais.

Ocorrência quase permanente. Perceptibilidade desde muito baixa a

evidente.

Frequência anual aproximada de sismos no Mundo [B2] s016.pcx

Três milhões de vítimas desde o séc. XVIII. Metade no séc. XX.

Razões para a notoriedade dos sismos.

Perigo sísmico

Risco sísmico. Valor expectável de um grandeza associada ao perigo

sísmico, por ex: valor, vidas ou número de feridos.


Sismologia. Ciência que estuda os fenómenos de natureza sísmica,

incluindo as suas causas, manifestações e fenómenos naturais associados.

Engenharia Sísmica. É o conjunto de técnicas, métodos e normas de

carácter pluri-disciplinar tendentes à caracterização e mitigação do risco

sísmico.

Projecto sismo-resistente em Engenharia Civil. Objectivos.

Disciplina Engenharia Sísmica. Programa. Avaliação.

Efeitos dos sismos

- Movimento superficial

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 5 10 15 20 25 30 35t (s)

a (cm/s2)

Acelerograma registado em El Centro durante o sismo de Imperial Valley (1940) , California.

- Tsunamis e Seixas

Representação esquemática de um tsunami [B2] s010.jpg


- Danos estruturais

- Liquefacção de solos - Escorregamento de encostas

- Interrupção de linhas vitais


Sismo de 1 de Novembro de 1755 em Lisboa

Portugal localiza-se em regiões de média actividade sísmica. Portugal

continental situa-se a norte da fronteira entre as placas Euro-Asiática e

Africana. Os Açores situam-se na crista média do Atlântico, na

proximidade da junção das placas Euro-Asiática, Africana e Americana.

Os dados históricos do continente referem a ocorrência em Lisboa de

sismos catastróficos em 1009, 1344, 1531 e 1755. Este último é

considerado como o maior sismo da era pré-instrumental de que há notícia

histórica. A magnitude deste sismo, das maiores observadas, é suposta

situar-se entre 8.5 e 9.

Localização do seu epicentro. Uma possível localização é atribuída a uma

posição entre os paralelos 36º e 37º N e os meridianos 10º e 12º W, a SW

do Cabo de S. Vicente no denominado banco de Goringe

Três abalos sísmicos.

O primeiro iniciou-se às 9h 40’. Ouviu-se um ronco subterrâneo seguido

por abalos com vibrações rápidas embora ao início não alarmantes. Após

cerca de 30 segundos a vibração aumentou significativamente.

Pelas 10 horas ocorreu um outro abalo mais violento que o primeiro

choque embora menos prolongado.

Um terceiro choque embora mais suave sentiu-se pelas 12 horas. As

igrejas encontravam-se cheias dado tratar-se de um dia santo de guarda.


As vagas de um tsunami gerado quando do primeiro abalo atingiram

Lisboa praticamente ao mesmo tempo que o segundo choque.

Estima-se o número de vítimas entre 60000 e 80000 dos quais 20000

mortes (população de Lisboa 200000 habitantes)

Destruição quase total das 20000 casas então existentes (sobraram 3000)

Foram totalmente destruídas 32 igrejas, 60 capelas, 31 mosteiros, 15

conventos e 53 palácios.

Desenho alusivo à destruição da Igreja de S. Paulo.

Gravura alusiva à destruição da igreja de S. Nicolau.


Perceptibilidade do sismo

A distância máxima de perceptibilidade deste sismo foi de 2500 km. Faro

ficou totalmente em ruínas. Para o norte de Lisboa as perturbações

atenuaram-se mais rapidamente. Em Coimbra não se registaram danos

sérios. Na Corunha algumas chaminés altas tombaram. A distâncias

superiores a 1000 km as ondas sísmicas embalaram as águas de lagos, rios

e portos (por ex. na Suiça, Inglaterra, Escócia, Finlândia e Suécia).

Alcance do tsunami

O tsunami foi sentido não só nas costas portuguesas mas também a

sudoeste de Espanha, norte de África nas Ilhas Britânicas e na Holanda.

Também nas costa do continente americano o tsunami se fez sentir. Em

Antígua (6000 km de Lisboa) a primeira onda chegou às 19.30 h (hora de

Lisboa). A variação das águas sentiu-se durante duas horas e meia.

Sismicidade. Frequência de ocorrência de sismos por unidade de área de

uma dada região, suposta homogénea do ponto de vista sísmico. Numa

acepção mais lata: distribuição estatística cronológica e geográfica das

ocorrências sísmicas.

Sismicidades histórica e instrumental. Instrumentos respectivos.

Catálogos sísmicos. Compatibilização dos catálogos sísmicos através da

Intensidade Sísmica.

Importância da observação instrumental em Engenharia Sísmica.


Actividade sísmica no Mundo. Epicentros dos sismos mais significativos. [B1] s006.jpg

Epicentros dos sismos de maior magnitude entre 1897 e 1998. [B2] s015.jpg

Tópicos a realçar• Perigos e Risco Sísmicos.• Competências e âmbitos distintos da Sismologia e da Engenharia

Sísmica.• Objectivos do projecto sismo-resistente em Engenharia Civil.• Diminuição da severidade e da frequência de ocorrência com a grandeza

(magnitude) do sismo.• Sismicidades histórica e instrumental.• Atenuação dos efeitos dos sismos com a distância à zona sismogenética,

embora esses efeitos possam ser distintos em locais com igual distância.


Aula 2

A Estrutura da Terra.

Origem dos Sismos.

Teorias dos mecanismos sísmicos.

As falhas como geradoras de sismos.

Geometria, tipo e classificação da sua actividade.


Terra. Forma.

Diâmetro equatorial=12740 km Diâmetro polar=12700 km

Massa= kg109.4 24× Densidade média =5.5

Densidade das rochas superficais entre 2.7 e 3 ⇒Heterogeneidade, com

muito maior densidade no núcleo.

Estrutura interna da Terra. Contribuição da Sismologia na sua

caracterização. Crusta terrestre. Manto. Núcleo.

Crusta terrestre. Espessura nas zonas continentais. Espessura nas

zonas oceânicas. Corresponde a cerca de 0.4% do raio da Terra.

Zona quase exclusiva de sismogénese.

Sequência estratigráfica essencial: basalto recoberto por granito na

crusta continental.

Maiores uniformidade e densidade da crusta oceânica.

Temperatura inferior aos materiais subjacentes.

Fronteira entre crusta e manto: descontinuidade de Mohorovicic.

Velocidade de propagação de ondas. Reflexão e refracção de

ondas.


Espessuras 70 2850 2260 1190 (km)

A Estrutura da Terra [K] 008. A tempeatura da Terra s025.tif [K]

Manto. Espessura do manto superior com 650 km. Materiais no

estado viscoso. Comportamento misto sólido-líquido. Densidade 4

a 5. Já foram registados sismos com origem no manto superior.

Profundidade máxima de ocorrência de sismos.

Núcleo. Núcleo exterior no estado líquido. Ondas S. Ferro

fundido. Densidade 9 a 12. Núcleo interior. Mistura ferro-níquel

sob pressão muito elevada. Densidade 15.

Teoria da deriva dos continentes.


Tectónica de placas. 6 placas principais. Gradiente térmico no

manto. Movimento das placas. Interacção nas orlas. Deformações

assísmicas e sísmicas. Tipos de orlas: afastamento (empilhamento

lávico), subducção e transcursão (falhas transformantes).

Cartografia das placas tectónicas [F] Kramer s007.jpg

Actividade sísmica no Mundo. Epicentros dos sismos mais significativos. [B1] Kramer s006.jpg


Falhas. Idealização. Geometria. Azimute e inclinação.

Classificação quanto ao movimento: mergulhantes, normais,

inversas por galgamento e transformantes. Falhas interplacas e

intraplacas.

Representação esquemática dos tipos de falhas quanto ao movimento. 005 Bolt p86

Tensões associadas ao movimento de falhas. (a) e (b): falha normal. (c) e (d) falha inversa. Código de cor associada aomovimento inicial da falha: preto (compressão), branco : (extensão). S002 Bolt p 127


Classificação quanto à actividade. Indícios e critérios.

Teoria da restituição elástica. Sismicidade. Modelação da

geometria das fontes sismogenéticas. Lineares. Pontuais.

Tópicos a realçar• Tectónica de placas.• Falhas intraplacas e interplacas.• Tipos de falhas e movimento associado. Consequências para as

características dos sismos nelas gerados.• Teoria da restituição elástica.


Aulas 3 e 4

Geometria dos sismos.

Ondas sísmicas.

Ondas volúmicas.

Ondas superficiais.

Estimativa da localização do epicentro.


Foco. Profundidade focal. Epicentro. Distância epicentral.

Geometria de um sismo. S028.pcx. [K]

Ondas volúmicas (P e S). Equações fundamentais da

Elastodinâmica em meio homogéneo ilimitado. Modos de

propagação.

Deformação volumétrica (irrotacional) V2

2V

2

)2(t

ε∇µ+λ=∂ε∂

ρ

Deformação distorcional (isovolúmica) Ω∇µ=∂Ω∂

ρ 22

2

t

Ondas P. Velocidade de propagação )21()1(G22vP υ−ρ

υ−=

ρµ+λ

=

Ondas S. Velocidade de propagação ρ

=ρµ

=GvS

Relação entre velocidades de propagação: υ−υ−

=2122

vv

S

P ; para um valor

corrente de 3.0=υ , tem-se SP v87.1v = .


S029.pcx [K]

Ondas de superfície relevantes em Engenharia Sísmica (R e L).

Fenomenologia associada à existência de uma superfície livre na

propagação de ondas volúmicas. Repartição de energia.

Ondas de Rayleigh. Casos de um espaço semi-infinito homogéneo

e de um estrato superficial sobre espaço semi-infinito homogéneo.

Representação esquemática das trajectórias pontuais e das amplitudes devidas à propagação de ondas de Rayleigh.s027.pcx s026.pcx [U]


Ondas de Love. Condições de ocorrência num estrato superficial

de menor sobrejacente a um espaço semi-infinito homogéneo:

menor Sv superficial. Ondas de corte com polarização horizontal

produzidas por múltiplas reflexões no contacto entre o semi-

espaço e o estrato superficial.

Dispersão das ondas de superfície num estrato superficial.

Significado. Consequências.

Ondas de incidência directa e reflectida. Lei de Snell.

Fenómenos de reflexão e refracção de ondas sísmicas. s031.jpg [K]


Modos de deformação associados à propagação das ondas sísmicas. S004.jpg [B]


Representação esqumática da propagação de ondas sísmicas a propósito do sismo de Mongalla (África Oriental). s003

Interpretação de sismogramas e detecção de chegada dos diversos

tipos de ondas.

Identificação de chegada de ondas P e S num sismograma vertical. S032.jpg[B]

Estimativa da distância epicentral e da localização do epicentro.

PSPSPS v

dvdttt −=−=∆


Tópicos a realçar

• Ondas volúmicas. Condições de existência. Velocidades emodos de propagação.

• Ondas superficiais. Condições de existência. Modos depropagação.

• Fenómenos de reflexão e de refracção.• Dissipação energética• Interpretação de sismogramas• Estimativa da distância epicentral


Aula 5

Capítulo III - Caracterização das ocorrências e dos

movimentos sísmicos em Sismologia.

Intensidade sísmica.

Queda de tensão.

Momento sísmico.

Magnitude sísmica.

Energia sísmica.

Intensidade macrossísmica. Subjectividade. Factores de

subjectividade. Escalas de Intensidade. Escala de Mercalli

modificada (por Wood e Newman, 1931 e Richter, 1951). Escala

MSK (1967).

Escala de Mercalli modificada (MMI)

I O sismo passa despercebido à maioria das pessoas.II O sismo é sentido por pessoas em repouso, especialmente nos pisos

superiores dos edifícios altosIII As oscilações são claramente perceptíveis no interior das

habitações mas muitas pessoas não as identificam como sísmicas.Não há estragos materiais.


IV O sismo é claramente perceptível como tal no interior dashabitações, movendo loiças, vidros e portas. No exterior, passadespercebido à maioria das pessoas.

V O sismo é claramente perceptível como tal, tanto no exterior comono interior das habitações, onde se partem loiças; vidros e portasbatem fortemente.

VI O sismo é imediatamente identificado; os móveis nas habitaçõesdeslocam-se, há quedas de estuques e danos nas chaminés eelementos afins.

VII O sismo produz danos ligeiros em estruturas de boascaracterísticas, danos consideráveis nas construções de alvenariacorrente e colapso em grande número de construções afins.

VIII Produzem-se danos ligeiros em estruturas de boas característicasanti-sísmicas, danos consideráveis nas construções de lavenariacorrente e colapso em grande número de construções fracas.

IX Produzem-se danos médios nas estruturas especiais e danosconsideráveis na maioria dos edifícios correntes.

X O sismo destói a maior parte dos edifícios de alvenaria, uma grandeparte dos edifícios de estrutura resistente e alguns edifícios ligeirosde madeira.

XI Colapso generalizado dos edifícios de alvenaria.XII Colapso total.

Equivalência entre as escalas de Intensidade macrosísmica MMI, JMA e MSK. S036.pcx [K p 47]

Atenuação sísmica. Isossistas. Cartas de isossistas.


Carta de isossistas no sismo de 25 de Dezembrode 1884 na Andaluzia

Carta de isossistas no sismo de 25 de Dezembro de 1884 na Andaluzias035.pcx [U p 276]

Leis de atenuação de intensidade. Dissipação geométrica e

mecânica. Compatibilização de catálogos históricos e

instrumentais.

Ex: Lei de atenuação para osmovimentos em rocha noMéxico segundo Esteva (1968)

9.7Rlog7.5M45.1I +−=

Queda de tensão.


Tensões actuantes antes e depois da ocorrência de uma fractura por corte com deslocamento u e queda de tensão ∆σ.S038.pcx

Tensão média∫

σ∆−σ=σ+σ≈σ=σ

T

0010 2

)(21dt)t(

T1

Queda de tensãoLuC

Lu

10 µ=

α=σ−σ=σ∆

Queda de tensão nocaso de rotura circular r

u167

µπ

=σ∆

Momento sísmico. Medida sísmica de eleição: envolve as

características mecânicas do meio envolvido, a geometria da

rotura e o deslocamento médio no plano de rotura.AuM0 µ=

É experimentalmente determinado a partir da medição do

deslizamento da falha sísmica ou do valor do espectro de Fourier

de amplitude de deslocamento nas baixas frequências.


AudAuM

dAudfhdM

hu

dAdf

hu

dAdf

0

0

µ=µ=

µ==

µ=

=γ

=σ

∫

Representação esqueçática do modelo cinemático justificativo de AuM0 µ= s040.pcx

No caso de roturacircular (mais

representativa desismos

superficiais)

2/32/30 A

716rA

716M

πσ∆

=σ∆π

=

πσ∆

+= 2/30 716logAlog

23Mlog

Magnitude sísmica. Medida instrumental da grandeza (dimensão)

baseada na conjectura de que a amplitude das ondas, após

correcção da atenuação, depende directamente da energia sísmica

ES.


Escalas de magnitude: local ou de Richter (ML), de ondas

superficiais (MS), de ondas volúmicas (mb) e de momento (MW)

ML: escala original de magnitude (Richter, 1935). Definida para a

Califórnia e aplicável somente a sismos superficiais (h<30 km) a

distâncias epicentrais intermédias (isto é, numa escala regional:

R<600 km). Definição: amplitude (A) em µm de um sismógrafo

Wood-Anderson (amplificação 2800, T0 =0.85s e β=80%)

colocado em afloramento rochoso a 100 km do epicentro. A

diferentes distâncias, há necessidade de introdução de factores

correctivos.3AlogMkm100R;AlogAlogM L0L −==−=

Ms: uma das extensões da definição de LM para telesismos (R>600

km) definida com base na amplitude (A) das ondas R:β+α+−= RlogTlogAlogMS

mb: outra extensão para telesismos, desta vez definida a partir da

amplitude (A) das ondas P.)h,R(cTlogAlogmb +−=

As definições até agora referidas dependem do conteúdo em frequência do

movimento que excita o sensor sísmico. Deste modo não é possível definir

uma escala de magnitude válida para todos os sismos.


Saturação das escalas de magnitude. Significado. mb e ML

saturam para valores superiores a 6.5; MS satura para MS>8.

MW:(Kanamori, 1977): não é sujeita a stauração

7.10Mlog32M 0W −=

Comparação entre as escalas de magnitude Mw, MS, mb e ML. s039.pcx [

Sponheuer (1960): Estimativa damagnitude a partir de I0 e h (km)

4.1hlog7.1I661.0M 0 −+=

Energia sísmica. Estimativa do valor libertado anualmente:1018 a

1019 J. Cerca de 90% associado a terramotos de magnitude

superior a 7.Energia libertada RS EEE +=

Gutenberg e Richter (1956)Nota: erg unidade CGS de

energia (1 J=107 erg)LS

bS

SS

M5.18.11)erg(Elogm4.23.1)J(Elog

M5.12.4)J(Elog

+=+−=

+=


Compatibilização de catálogos sísmicos pré-instrumentais e

instrumentais.

Equivalência grosseira entre magnitude e energia sísmicas e os valores epicentrais de aceleração, velocidade eintensidade epicentrais. S033.pcx

Tópicos a realçar• Intensidade. Isossistas. Lei de atenuação em intensidade.• Momento sísmico. Sua estimativa. Modelo cinemático.• Magnitude sísmica. Diversas definições. Saturação.• Energia sísmica. Relação com a magnitude.• Compatibilização de catálogos históricos e instrumentais.

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