Áquila Earthquake (2009): influence of seismic source model and structure to modeling the strong ground motions

O sismo, ocorrido em 6 de Abril de 2009 (Mw 6,3) junto à cidade de Áquila (Itália), provocou uma grande destruição. Uma das consequências deste evento foi o impacto na opinião pública em torno da capacidade científica para a estimação da perigosidade sísmica e a necessidade de criação de sistemas de alerta sísmico. A determinação dos mecanismos de fonte sísmica de eventos sísmicos ocorridos e registados permite melhores caracterizações dos movimentos sísmicos para uma determinada área de estudo e consequentemente melhores cenários de risco. Se a região em estudo possuir propriedades físicas específicas e muito distintas de local para local, capazes de provocar alterações locais dos movimentos sísmicos (efeitos de sítio), torna-se imperativo uma caracterização bem definida do meio de propagação das ondas sísmicas de forma a poder sintetizar informação capaz de contribuir para a boa estimação da perigosidade sísmica. No âmbito deste trabalho pretende-se estudar a influência do mecanismo de fonte sísmica e da estrutura na modelação de movimentos sísmicos no caso de Áquila. A metodologia adoptada consiste na determinação da distribuição de deslizamentos sobre o plano de falha e utilização desta informação na modelação de sismogramas sintéticos (com recurso ao algoritmo E3D). Será igualmente estabelecida uma comparação de resultados considerando-se um meio com e sem bacia e considerando-se uma fonte pontual e uma fonte extensa.

High-resolution seismic reflection investigation of gas accumulation and seepage in the tidal channels of the Ria of Aveiro barrier lagoon (Portugal)

O metano é um gás de estufa potente e uma importante fonte de energia. A importância global e impacto em zonas costeiras de acumulações e escape de gás metano são ainda pouco conhecidas. Esta tese investiga acumulações e escape de gás em canais de maré da Ria de Aveiro com dados de cinco campanhas de reflexão sísmica de alta resolução realizadas em 1986, 1999, 2002 e 2003. Estas incluem três campanhas de Chirp (RIAV99, RIAV02 e RIAV02A) e duas campanhas de Boomer (VOUGA86 e RIAV03). O processamento dos dados de navegação incluíram filtros de erros, correcções de sincronização de relógios de sistemas de aquisição de dados, ajuste de “layback” e estimativa da posição de “midpoint”. O processamento do sinal sísmico consistiu na correcção das amplitudes, remoção de ruído do tipo “burst”, correcções estáticas, correcção do “normal move-out”, filtragem passabanda, desconvolução da assinatura e migração Stolt F-K. A análise da regularidade do trajecto de navegação, dos desfasamentos entre horizontes e dos modelos de superfícies foi utilizada para controlo de qualidade, e permitiu a revisão e melhoria dos parâmetros de processamento. A heterogeneidade da cobertura sísmica, da qualidade do sinal, da penetração e da resolução, no seu conjunto constrangeram o uso dos dados a interpretações detalhadas, mas locais, de objectos geológicos da Ria. É apresentado um procedimento para determinar a escolha de escalas adequadas para modelar os objectos geológicos, baseado na resolução sísmica, erros de posicionamento conhecidos e desfasamentos médios entre horizontes. As evidências de acumulação e escape de gás na Ria de Aveiro incluem turbidez acústica, reflexões reforçadas, cortinas acústicas, domas, “pockmarks” e alinhamentos de “pockmarks” enterradas, horizontes perturbados e plumas acústicas na coluna de água (flares). A estratigrafia e a estrutura geológica controlam a distribuição e extensão das acumulações e escape de gás. Ainda assim, nestes sistemas de baixa profundidade de água, as variações da altura de maré têm um impacto significativo na detecção de gás com métodos acústicos, através de alterações nas amplitudes originais de reflexões reforçadas, turbidez acústica e branqueamento acústico em zonas com gás. Os padrões encontrados confirmam que o escape de bolhas de gás é desencadeado pela descida da maré. Há acumulações de gás em sedimentos Holocénicos e no substrato de argilas e calcários do Mesozóico. Evidências directas de escape de gás em sondagens em zonas vizinhas, mostraram gás essencialmente biogénico. A maioria do gás na área deve ter sido gerado em sedimentos lagunares Holocénicos. No entanto, a localização e geometria de estruturas de escape de fluidos em alguns canais de maré, seguem o padrão de fracturas do substrato Mesozóico, indicando uma possível fonte mais profunda de gás e que estas fracturas funcionam como condutas preferenciais de migração dos fluidos e exercem um controlo estrutural na ocorrência de gás na Ria.

Cyclic behaviour of RC elements with plain reinforcing bars

O comportamento cíclico das estruturas de betão armado é fortemente condicionado pelo mecanismo de aderência entre o betão e o aço. O escorregamento relativo entre os dois materiais, resultante da degradação progressiva da aderência em elementos solicitados por ações cíclicas, é uma causa frequente de danos graves e até do colapso de estruturas devido à ocorrência de sismos. Entre as estruturas existentes de betão armado que foram dimensionadas e construídas antes da entrada em vigor dos regulamentos sísmicos atuais, muitas foram construídas com armadura lisa, e portanto, possuem fracas propriedades de aderência. A informação disponível na literatura sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa é reduzida e a influência das propriedades da aderência associadas a este tipo de armadura no comportamento cíclico das estruturas existentes não se encontra ainda devidamente estudada. O objectivo principal desta tese foi estudar a influência do escorregamento na resposta cíclica de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa. Foram realizados ensaios cíclicos em elementos do tipo nó viga-pilar, construídos à escala real, representativos de ligações interiores em edifícios existentes sem pormenorização específica para resistir às ações sísmicas. Para comparação, foi realizado o ensaio de um nó construído com armadura nervurada. Foi ainda realizado o ensaio cíclico de uma viga de betão armado recolhida de uma estrutura antiga. Foram elaborados modelos numéricos não-lineares para simular a resposta dos elementos ensaiados, concentrando especial atenção no mecanismo do escorregamento. Os resultados obtidos no âmbito desta tese contribuem para o avanço do conhecimento sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa. As análises numéricas realizadas comprovam a necessidade de incluir os efeitos do escorregamento na modelação numérica deste tipo de estruturas de forma a representar com rigor a sua resposta às ações cíclicas.

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Development of open models and tools for seismic risk assessment: application to Portugal

The exponential growth of the world population has led to an increase of settlements often located in areas prone to natural disasters, including earthquakes. Consequently, despite the important advances in the field of natural catastrophes modelling and risk mitigation actions, the overall human losses have continued to increase and unprecedented economic losses have been registered. In the research work presented herein, various areas of earthquake engineering and seismology are thoroughly investigated, and a case study application for mainland Portugal is performed. Seismic risk assessment is a critical link in the reduction of casualties and damages due to earthquakes. Recognition of this relation has led to a rapid rise in demand for accurate, reliable and flexible numerical tools and software. In the present work, an open-source platform for seismic hazard and risk assessment is developed. This software is capable of computing the distribution of losses or damage for an earthquake scenario (deterministic event-based) or earthquake losses due to all the possible seismic events that might occur within a region for a given interval of time (probabilistic event-based). This effort has been developed following an open and transparent philosophy and therefore, it is available to any individual or institution. The estimation of the seismic risk depends mainly on three components: seismic hazard, exposure and vulnerability. The latter component assumes special importance, as by intervening with appropriate retrofitting solutions, it may be possible to decrease directly the seismic risk. The employment of analytical methodologies is fundamental in the assessment of structural vulnerability, particularly in regions where post-earthquake building damage might not be available. Several common methodologies are investigated, and conclusions are yielded regarding the method that can provide an optimal balance between accuracy and computational effort. In addition, a simplified approach based on the displacement-based earthquake loss assessment (DBELA) is proposed, which allows for the rapid estimation of fragility curves, considering a wide spectrum of uncertainties. A novel vulnerability model for the reinforced concrete building stock in Portugal is proposed in this work, using statistical information collected from hundreds of real buildings. An analytical approach based on nonlinear time history analysis is adopted and the impact of a set of key parameters investigated, including the damage state criteria and the chosen intensity measure type. A comprehensive review of previous studies that contributed to the understanding of the seismic hazard and risk for Portugal is presented. An existing seismic source model was employed with recently proposed attenuation models to calculate probabilistic seismic hazard throughout the territory. The latter results are combined with information from the 2011 Building Census and the aforementioned vulnerability model to estimate economic loss maps for a return period of 475 years. These losses are disaggregated across the different building typologies and conclusions are yielded regarding the type of construction more vulnerable to seismic activity.

Seismic vulnerability assessment of slender masonry structures

Slender masonry structures are distributed all over the world and constitute a relevant part of the architectural and cultural heritage of humanity. Their protection against earthquakes is a topic of great concern among the scientific community. This concern mainly arises from the strong damage or complete loss suffered by this group of structures due to catastrophic events and the need and interest to preserve them. Although the great progress in technology, and in the knowledge of seismology and earthquake engineering, the preservation of these brittle and massive structures still represents a major challenge. Based on the research developed in this work it is proposed a methodology for the seismic risk assessment of slender masonry structures. The proposed methodology was applied for the vulnerability assessment of Nepalese Pagoda temples which follow very simple construction procedure and construction detailing in relation to seismic resistance requirements. The work is divided in three main parts. Firstly, particular structural fragilities and building characteristics of the important UNESCO classified Nepalese Pagoda temples which affect their seismic performance and dynamic properties are discussed. In the second part the simplified method proposed for seismic vulnerability assessment of slender masonry structures is presented. Finally, the methodology proposed in this work is applied to study Nepalese Pagoda temples, as well as in the efficiency assessment of seismic performance improvement solution compatible with original cultural and technological value.

Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.

Simulação numérica na avaliação da fiabilidade de estruturas de betão armado

Neste trabalho apresenta-se uma metodologia para a avaliação da fiabilidade de estruturas de betão armado. A metodologia recorre a uma simulação numérica pelo método de Monte Carlo, com adopção de uma técnica de amostragem estratificada de redução de variância, vulgarmente designada por hipercubo latino, para a obtenção da probabilidade de não ser excedido o estado limite último em causa. Aplicou-se a metodologia a um caso prático.

Stochastic ground motion simulation with geological site effects in damage asessment

Damage assessment of structures with a mechanical non linear model demands the representation of seismic action in terms of an accelerogram (dynamic analysis) or a response spectrum (pushover analysis). Stochastic ground motion simulation is largely used in regions where seismic strong-motion records are available in insufficient number. In this work we present a variation of the stochastic finite-fault method with dynamic corner frequency that includes the geological site effects. The method was implemented in a computer program named SIMULSIS that generate time series (accelerograms) and response spectra. The program was tested with the MW= 7.3 Landers earthquake (June 28, 1992) and managed to reproduce its effects. In the present work we used it to reproduce the effects of the 1980’s Azores earthquake (January 1, 1980) in several islands, with different possible local site conditions. In those places, the response spectra are presented and compared with the buildings damage observed.

Aplicação de técnicas de optimização na utilização de acelerogramas registados

Actualmente, existe uma grande difusão de aparelhos digitais do tipo “strong-motion”, por todo mundo, que permitem registar movimentos sísmicos intensos. Também começa a ser frequente esses registos estarem disponíveis, na Internet, para acesso livre. O Eurocódigo 8 (EN 1998-1:2004) permite a representação da acção sísmica, no domínio do tempo, por intermédio de um número, não inferior a três, de acelerogramas registados. No entanto, a escolha desses acelerogramas, de forma a cumprir as regras impostas pelo EC8, reveste-se de alguma complexidade. Neste trabalho, apresentamos uma metodologia para selecção dos acelerogramas a utilizar nas análises sísmicas de estruturas. O que propomos é a escolha de um conjunto de factores multiplicadores dos acelerogramas, que ajustam os valores dos respectivos espectros de resposta às regras impostas pelo EC8. Recorre-se a técnicas de optimização numérica, por forma a quantificar os valores desses factores. Eles são determinados de modo a minimizarem a soma dos desvios em relação ao espectro de resposta objectivo, para o tipo de terreno em causa. A mesma técnica pode ser utilizada na determinação dos valores de TB, TC e TD dos espectros do EC8, depois de normalizados os espectros de resposta dos acelerogramas registados. São apresentados exemplos de aplicação das metodologias propostas a alguns casos de estudo.

Caracterização dinâmica das bancadas principais do Estádio Algarve

No presente artigo apresenta-se o estudo de revisão do Projecto de Estabilidade e Fundações das Bancadas Nascente e Poente do Estádio Algarve. Dá-se relevo ao comportamento dinâmico da estrutura da Bancada Poente, com a descrição das respostas da mesma perante a acção sísmica e a acção das multidões.

Metodologia para o dimensionamento do reforço sísmico de edifícios

Neste artigo apresenta-se uma metodologia para o dimensionamento do reforço de edifícios existentes com estrutura em betão armado, sujeitos à acção sísmica. O método de análise é constituído por três fases: avaliação estrutural; avaliação da segurança estrutural e dimensionamento do reforço.

Contribuição para a avaliação do risco sísmico: aplicação à cidade de Faro

O programa SRAPOR permite a realização de rápidas avaliações de risco sísmico de aglomerados habitacionais. A presente versão é constituída por uma base de dados de sismos, por um sistema simplificado de informação geográfica e por um módulo de avaliação da casualidade sísmica. A aplicação do programa é ilustrada com a análise da casualidade sísmica da cidade de Faro.

Estudo da viabilidade da construção em alvenaria confinada no Algarve

Os sismos ocorridos nos últimos anos têm demonstrado um comportamento aceitável dos edifícios de pequeno porte, de alvenaria resistente confinada, que diversos estudos experimentais têm vindo a corroborar. No Algarve existe um tipo próprio de construção de pequeno porte, que embora constituindo uma profunda adulteração à construção vernacular, e tendo sido imposto por um impulso turístico pouco sustentado, se encontra abundantemente disseminado e que, por isso mesmo, constitui um conjunto suficientemente homogéneo para justificar uma análise de viabilidade de um processo construtivo. Neste trabalho, apresenta-se um estudo sobre a segurança estrutural de pequenas construções de alvenaria confinada, no enquadramento da referida tipologia e em conformidade com os materiais existentes na região. Procede-se a uma resumida caracterização tipológica dessas construções correntes e apresentam-se os resultados de alguns ensaios experimentais de alvenarias. Com base na tipologia construtiva e nos resultados experimentais, realizaram-se análises sísmicas (numéricas) de uma construção, tendo em vista a verificação da segurança no contexto dos Eurocódigos 6 e 8. Comparam-se, ainda, os resultados obtidos com alvenaria confinada (com elementos confinantes de betão armado), com os de estrutura reticulada em betão armado de baixa ductilidade (com alvenaria de preenchimento não resistente), para a mesma acção. Como consequência, alvitram-se algumas recomendações, visando a optimização dos processos construtivos, de que, eventualmente, as empresas regionais poderão usufruir, aquando da próxima entrada em vigor dos Eurocódigos Estruturais.

Desenho de modelos neuronais para a deteção de sismos

A performance dos detetores sísmicos atualmente utilizados pode e deve ser melhorada. Atualmente existem vários algoritmos para a deteção de sismos de forma automática, desde os sistemas simples baseados em STA/LTA, aos mais sofisticados baseados em reconhecimento de padrões. Este estudo pretende dar continuidade ao desenvolvimento de uma abordagem de deteção de eventos sísmicos ao nível da estação local, utilizando uma técnica bastante conhecida, chamada Máquina de Vetores de Suporte (SVM). SVM é amplamente utilizada em problemas de classificação, devido a sua boa capacidade de generalização. Nesta experiência, a técnica baseada em SVM é aplicada em diferentes modos de operações. Os resultados mostraram que a técnica proposta dá excelentes resultados em termos de sensibilidade e especificidade, além de exigir um tempo de deteção suficientemente pequeno para ser utilizado num sistema de aviso precoce (early-warning system). Começamos pela classificação de dados de forma Off-line, seguido da validação do classificador desenvolvido. Posteriormente, o processamento de dados é executado de forma contínua (On-line). Os algoritmos foram avaliados em conjuntos de dados reais, provenientes de estações sísmicas da Rede de Vigilância Sísmica de Portugal, e em aplicações reais da área de Sismologia (simulação de funcionamento em ambiente real). Apesar de apenas duas estações serem consideradas, verificou-se que utilizando a combinação de detetores, consegue-se uma percentagem de deteção idêntica para quando utilizado um único modelo (Abordagem OR) e o número de falsos alarmes para a combinação de modelos é quase inexistente (Abordagem AND). Os resultados obtidos abrem várias possibilidades de pesquisas futuras.