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Instituto Politécnico do Porto Instituto Superior de Engenharia do Porto

Engenharia Geotécnica e Geoambiente

MÉTODOS CIENTÍFICOS EM ENGENHARIA Artigo Científico – Sismologia

Abílio de Bessa Nunes Quintas, nº 1830288


Artigo Científico – Sismologia

MÉTODOS CIENTÍFICOS EM ENGENHARIA Artigo Científico – Sismologia

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Artigo Científico – Sismologia

ÍNDICE

1. Resumo

Erro! Marcador não definido.

2. Introdução

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3. A atividade sísmica

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4. Ondas sísmicas

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5. Escalas para avaliar os sismos

Erro! Marcador não definido.

6. Prevenção dos sismos

Erro! Marcador não definido.

7. Referências bibliográficas:

Erro! Marcador não definido.

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Artigo Científico – Sismologia

1. Resumo O presente trabalho pretende abordar alguns tópicos ligados à temática da sismologia. Dentro desta ciência, são definidos e analisados alguns conceitos que considero relevantes para um bom enquadramento do tema em estudo. Seguidamente são estudados com algum pormenor os diversos tipos de ondas libertadas pelos sismos e que se designam por ondas sísmicas. Posteriormente, são analisadas, estudadas e confrontados dois tipos de escalas para avaliar os sismos, uma de intensidade e outra de magnitude, denominadas respectivamente, escala de Mercalli Modificada e escala de Richter. Finalmente, é exposto, ainda que de uma forma relativamente concisa, alguns métodos de prevenção no sentido de minorar, aparentemente, os efeitos causados pelos sismos.

2. Introdução Este trabalho debruça-se sobre alguns aspectos ligados aos sismos e à ciência que os estuda, ou seja, a sismologia. Apesar de Portugal continental ser um país de baixa actividade sísmica, na generalidade dos seus distritos, o conhecimento dos sismos e modo de agir é muito importante, uma vez que, podem ocorrer graves prejuízos humanos e materiais, quando surgem sismos de alguma relevância em termos de amplitude. A minha escolha por este tema baseou-se em quatro critérios fundamentais que passo a citar e a justificar de uma forma concisa: Em primeiro lugar, o fenómeno da sismologia está intimamente ligado à Geologia, que é uma área integrante e importante do curso de Geotecnia e Geoambiente. Em segundo lugar, exerço funções docentes no âmbito das Ciências Exactas e Naturais, onde este tema é leccionado. O terceiro factor, diz respeito a um projecto que faz parte de todas as escolas, designado PEU (Projecto de Evacuação Urgente). Este projecto contempla um conjunto de regras a observar e tarefas a cumprir em casos diversos, como por exemplo, instruções de segurança, formação, planos de actuação, exercícios de evacuação e simulacros. Estes planos de prevenção e emergência incluem também os sismos. Como quarto e último critério a considerar, a Sismologia é uma ciência que me atrai especialmente e, como tal, procuro obter conhecimentos nesta área no sentido de me enriquecer enquanto cidadão e enquanto profissional da educação, no sentido de também poder transmitir a outros esses conhecimentos adquiridos. 4


Artigo Científico – Sismologia Este trabalho não segue os trâmites normais e mais comuns da realização de um artigo científico, uma vez que não refere alguns dos tópicos ou secções que se podem considerar obrigatórios, ou pelo menos essenciais na sua elaboração. Entre esses tópicos podemos considerar os materiais e métodos usados, bem como as conclusões obtidas. O trabalho faz mais uma descrição de alguns aspectos básicos ligados à Sismologia, em detrimento do que se pretende com a elaboração de um artigo científico.

3. A atividade sísmica Investigações sobre a constituição do interior do globo terrestre revelaram a existência de três grandes divisões: a crosta terrestre, o manto rochoso e o núcleo central. A espessura da crosta terrestre varia entre os 30 e os 50 quilómetros, enquanto o manto possui cerca de 2900 quilómetros de espessura e finalmente o núcleo central, provavelmente constituído por ferro e níquel, com cerca de 3500 quilómetros de raio. A análise sismológica dos muitos sismos que ocorrem em todo o planeta Terra, em regiões, actualmente, bem conhecidas, foi um dos principais métodos que levou à concepção de um modelo para a estrutura da Terra. Os métodos geofísicos têm sido utilizados, desde há alguns séculos, na localização de minérios. A prospecção geofísica tem sofrido um grande incremento na actualidade, devido também à indústria petrolífera. Alguns destes métodos resultaram de técnicas utilizadas no estudo da estrutura interna da Terra. Actualmente, os métodos de prospecção sísmica mais utilizados são os gravimétricos, magnéticos, eléctricos e de radioactividade. Todos eles se revestem de grande importância prática, em Geologia, na localização de minérios e também em engenharia, na localização de fundações de estruturas tais como barragens, pontes e viadutos. Os sismos são movimentos vibratórios, bruscos e geralmente breves da crusta terrestre. Os sismos produzem-se, principalmente, nos limites das placas litosféricas. No entanto, também podem ocorrer no interior das mesmas, como consequência de forças acumuladas. Podem ainda ser produzidas por abatimentos das cavidades internas da crusta terrestre, tais como cavernas, por erupções vulcânicas e pela formação de fracturas ou falhas. Desde o sismo mais insignificante, até ao mais catastrófico, os movimentos vibratórios, são provocados pelo mesmo fenómeno: ruptura do material rochoso. O material que existe no interior da Terra é elástico e, quando sujeito a fortes pressões, começa por se deformar. No momento em que ultrapassa o limite de elasticidade, dá-se a ruptura e é neste momento que o sismo ocorre. A energia armazenada durante anos de deformação, liberta-se sob a forma de ondas sísmicas, que se propagam em todas as direcções, acabando por atingir a superfície terrestre. 5


Artigo Científico – Sismologia A região no interior da Terra onde se origina um sismo denomina-se hipocentro ou foco sísmico. Para facilidade de estudo, é costume reduzir o hipocentro a um ponto. O ponto da superfície terrestre, situado na vertical e mais próximo do hipocentro, designa-se por epicentro. O hipocentro pode localizar-se a poucos quilómetros de profundidade ou atingir profundidades da ordem dos 700 quilómetros. Dependendo da localização do epicentro, terra ou mar, o sismo pode ser designado, respectivamente, por terramoto ou maremoto. O exame da distribuição dos epicentros no globo, revela a existência de grandes placas estáveis, as placas tectónicas, limitadas por zonas sísmicas activas. A faixa da zona sísmica alpina, compreendida entre Gibraltar e os Açores, tem grande importância para Portugal, porque nela estão localizados, além do epicentro do sismo de 1755, os epicentros de muitos outros sismos registados no Continente, nos Açores e na Madeira.

4. Ondas sísmicas Para o estudo dos sismos, é muito importante estudar a natureza das ondas sísmicas. A energia libertada no foco de um sismo propaga-se em todas as direcções sob a forma de ondas elásticas, designadas por ondas sísmicas, que se deslocam com uma velocidade determinada velocidade de propagação, e segundo a direcção de propagação. Em meios de composição homogénea, que não é o caso da Terra, as ondas sísmicas são, em todos os pontos, equidistantes. Na Terra, devido à sua composição heterogénea, o trajecto (raio sísmico) das ondas sísmicas é, regra geral, curvilíneo. O aparelho que regista as ondas sísmicas designa-se por sismógrafo. O gráfico obtido num sismógrafo, através do qual se pode observar características da propagação das ondas sísmicas, denomina-se sismograma. A intensidade das ondas sísmicas vai decrescendo à medida que nos afastamos do epicentro.

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Figura 1 (retirada de http://domingos.home.sapo.pt/estruterra_2.html)

As ondas sísmicas propagam-se através dos corpos por intermédio de movimentos ondulatórios, como qualquer onda, dependendo a sua propagação das características físicoquímicas dos corpos atravessados. Quando ocorre um sismo, parte da energia propaga-se através do meio sob forma de ondas volúmicas (primárias e secundárias), e a parte restante da energia desloca-se ao longo da superfície sob a forma de ondas superficiais. Tal como qualquer outro tipo de ondas que se propague através de um espaço tridimensional e cuja fonte possa ser considerada como uma fonte pontual, a amplitude das ondas sísmicas decresce com inverso da distância à fonte. As ondas sísmicas volúmicas (quer as compressivas, quer as de corte) têm, na origem, vasta gama de frequências. Todavia, devido à atenuação durante a propagação, as mais pronunciadas têm frequências entre 0,5 e 20 Hertz. As ondas P (Primárias) são do tipo compressivo. Uma onda a propagar-se ao longo de uma mola constitui uma boa analogia para este tipo de ondas sísmicas.

Figura 2 (retirada de w3.ualg.pt/~jdias/.../5203_OndasSismicas.html) 7


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As ondas P são as mais rápidas das ondas sísmicas, podendo propagar-se tanto em meios sólidos como líquidos. A velocidade de propagação em granitos, por exemplo, é de cerca de 5,5km/s. Em meios líquidos a velocidade de propagação reduz-se bastante. Por exemplo, na água, a velocidade das ondas P é de apenas cerca de 1,5km/s. Nas ondas S (Secundárias), o movimento de vibração dá-se no plano definido pela frente de onda e, como tal, perpendicularmente à direcção de propagação, pelo que são ondas do tipo transversal (ou de corte). Uma boa analogia para este tipo de ondas é a corda de uma guitarra que é posta a vibrar. A passagem da onda transversal obriga a que os planos verticais do meio se movam "para cima e para baixo" e que, por isso, os elementos adjacentes do meio sofram variações de forma, que alternam entre a de um rectângulo e a de um losango.

Figura 3 (retirada de w3.ualg.pt/~jdias/.../5203_OndasSismicas.html)

As ondas S só se propagam em meios sólidos. A sua velocidade é menor do que a das ondas P. Nos granitos, por exemplo, é de cerca de 3km/s. Uma perturbação exercida na superfície livre de um meio propaga-se, a partir da fonte, sob a forma de ondas sísmicas superficiais. Existem duas categorias de ondas superficiais, as ondas R (de Rayleigh) e as ondas L (de Love), que se distinguem entre si pelo tipo de movimento que as partículas descrevem na frente de onda. As ondas superficiais deslocam-se a menor velocidade do que as ondas volúmicas. Em geral, as ondas L têm maior velocidade do que as ondas R. As ondas sísmicas superficiais têm uma gama alargada de frequências, mas inferiores às das ondas volúmicas. Normalmente, as frequências das ondas superficiais são inferiores a 1 Hertz. O movimento das partículas na frente de onda de uma onda R (Rayleigh) está polarizado no plano vertical e pode ser visualizado como uma combinação de vibrações do tipo P e S. O movimento das partículas individuais descreve uma elipse retrógrada alinhada no plano vertical. Tal como nas ondas do mar, o deslocamento das partículas não está confinado apenas à superfície livre do meio, sendo as partículas abaixo desta, também afectadas pela passagem da onda. Num semi-espaço homogéneo, a amplitude do movimento das partículas decresce

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Artigo Científico – Sismologia exponencialmente com o aumento da profundidade. Ondas com comprimento de onda l têm uma profundidade de penetração característica de 0.4 l.

Figura 4 (retirada de w3.ualg.pt/~jdias/.../5203_OndasSismicas.html)

Teoricamente, a velocidade das ondas de Rayleigh é igual a 0,9194 da velocidade das ondas S, verificando-se na realidade, quando ocorre um sismo, que esta relação está correcta. O movimento das partículas, nas ondas L (de Love), processa-se apenas no plano horizontal.

Figura 5 (retirada de w3.ualg.pt/~jdias/.../5203_OndasSismicas.html)

Como os vários tipos de ondas que se produzem quando ocorre um sismo têm velocidades e frequências diferentes, em áreas afastadas da região do epicentro é possível observar que as ondas estão organizadas em grupos. Todavia, próximo da área de geração, não há tempo suficiente para esta segregação em grupos de ondas distintas, pelo que a movimentação das partículas induzida simultaneamente por diferentes tipos de ondas pode ser extremamente complexa (provocando grandes destruições). Por outro lado, ao propagar-se em diferentes tipos de rochas e à superfície, atravessando zonas de descontinuidade estrutural, as ondas são sujeitas, muitas vezes, a fenómenos de reflexão e de refracção, o que pode conduzir a amplificação das ondas e, consequentemente, aumento do seu potencial de destruição. A situação complica-se ainda mais porque a propagação das ondas é afectada pela atitude do plano de rotura, o que pode conduzir a concentração de energia em certas direcções.

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Artigo Científico – Sismologia A complexidade do estudo das ondas sísmicas é ainda acentuada pelo facto do tipo e condições do solo, bem como a topografia, poderem provocar amplificação ou redução das ondas sísmicas em locais específicos. As ondas sísmicas volúmicas (quer as compressivas, quer as de corte) têm, na origem, uma vasta gama de frequências. Todavia, devido à atenuação durante a propagação, as mais pronunciadas têm frequências entre 0,5 e 20 Hertz. As ondas superficiais têm, geralmente, frequências menores do que as ondas volúmicas, tipicamente inferiores a 1 Hertz. Os edifícios têm frequências naturais de vibração específicas. As frequências naturais de vibração dos edifícios de menor altura são mais elevadas do que as dos prédios mais altos. Se a frequência das ondas sísmicas é análoga à frequência natural de vibração de certos edifícios, estes podem entrar em ressonância e ser gravemente danificados ou destruídos. No entanto, as ondas com frequências elevadas sofrem atenuação mais rápida com o aumento de distância à zona do epicentro do que as ondas com frequências mais baixas. Por essa razão, a distâncias relativamente grandes do epicentro (da ordem de 100km), os edifícios altos podem ser bastante mais danificados do que os baixos. As construções baixas são mais sensíveis às vibrações sísmicas quando se localizam próximo do local onde o sismo foi gerado.

5. Escalas para avaliar os sismos Os sismólogos, desde muito cedo, sentiram necessidade de descrever e comparar os sismos. Surgiram, assim, para se poder fazer uma graduação dos sismos, as escalas de intensidade, de acordo com os seus efeitos. A escala de Mercalli Modificada é uma escala qualitativa usada para determinar a intensidade de um sismo a partir dos seus efeitos sobre as pessoas e sobre as estruturas construídas e naturais. Foi elaborada pelo vulcanólogo italiano Giuseppe Mercalli, em 1902. Os efeitos de um sismo são classificados, por ordem crescente de intensidade, em graus, de I a XII, e baseiam-se nas observações e relatos de testemunhas. A sua utilização é relativamente reduzida, uma vez que não se trata de uma medida, mas de uma descrição dos factos. A importância dos prejuízos resultante do sismo é muito variável, uma vez que depende da distância ao epicentro, das características do solo e do tipo de construção dos edifícios. Como a intensidade de um sismo é um parâmetro que caracteriza os efeitos produzidos nas pessoas, objectos, estruturas construídas e meio ambiente, num determinado local, sendo uma escala de intensidade, a escala de Mercalli avalia os efeitos do sismo sobre cada ponto do território, pelo que os valores variam em função da distância à região do epicentro (onde é mais intenso, dada a proximidade da região de libertação de energia), dependendo ainda das características geo-estruturais dos terrenos atravessados pelas ondas sísmicas e do tipo de 10


Artigo Científico – Sismologia povoamento e características das construções. Esta variação espacial dos efeitos permite traçar as isossistas do sismo, ou seja linhas que delimitam no território as áreas onde o sismo foi sentido com igual intensidade. Assim, numa escala de intensidade, como é o caso, a cada conjunto de efeitos corresponde um determinado grau de intensidade, pelo que a intensidade em determinado sítio depende não só da energia libertada pelo sismo (magnitude), mas também da distância a que esse sítio se encontra do local em que foi gerado o sismo, e das características geológicas do local. Como as restantes escalas de intensidade, a escala de Mercalli é qualitativa, não fornecendo informação absoluta sobre o sismo, já que os efeitos observados dependem em absoluto das características do local onde sejam avaliados. A magnitude de um terramoto particular é um número único que não varia de lugar para lugar. Magnitude é a energia total libertada por um terramoto no seu foco. Os terramotos de grande magnitude são mais fortes e geralmente mais destrutivas que as de pequena magnitude. A quantidade de destruição não depende apenas da magnitude, mas do tipo de solo e do género de edifícios neles situados, e sobre a localização do foco em relação a áreas densamente povoadas. A escala de Richter, também conhecida como escala de magnitude local (ML), atribui um número único para quantificar o nível de energia liberada por um sismo. É uma escala logarítmica de base 10, obtida calculando o logaritmo da amplitude horizontal combinada (amplitude sísmica) do maior deslocamento a partir do zero num tipo particular de sismógrafo (torção de WoodAnderson). Então, por exemplo, um terramoto que mede 5,0 na escala Richter tem uma amplitude sísmica 10 vezes maior do que uma que mede 4,0. O limite efectivo da medição da magnitude local ML é em média 6,8. A escala de Richter foi desenvolvida em 1935 pelos sismólogos Charles Francis Richter e Beno Gutenberg, ambos membros do California Institute of Technology (Caltech), que estudavam sismos no sul da Califórnia, utilizando um equipamento específico – o sismógrafo WoodAnderson. A magnitude de um sismo indica a quantidade de energia libertada por esse evento sísmico. É baseada em medições precisas da amplitude das ondas sísmicas nos sismogramas, para distâncias conhecidas entre o epicentro e a estação sísmica. As escalas de magnitude não têm limites, nem superior, nem inferior. É perfeitamente lícito falarse em magnitudes negativas (porque a escala é baseada numa escala logarítmica), mas o limite de sensibilidade dos sismógrafos impõe uma fasquia por volta dos 2. A magnitude máxima é limitada pela resistência da crosta e manto superior e desde o início da sismologia instrumental nunca se observaram sismos com magnitude superior a cerca de 8,6. Eventos de intensidades II e III são aproximadamente equivalentes ao terramoto de magnitude 3-4 na escala Richter, e XI XII na escala de Mercalli corresponder com magnitudes 8-9 na escala de Richter. 11


Artigo Científico – Sismologia Charles F. Richter e Beno Gutenberg estabeleceram, também, uma relação seguinte entre a magnitude (M) e a energia sísmica (ES):

Log10 ES = 11.8 + 1,5 M

Porém, há que ter em atenção que a energia ES (em ergs) não corresponde à energia total intrínseca do sismo, transferida de fontes como a energia gravitacional, nem tem em atenção a energia calorífica. É, apenas, a quantidade de energia emitida pelo sismo na forma de ondas sísmicas, a qual é apenas uma fracção da energia total transferida durante o processo sísmico.

Magnitude Energia (ergs) 1

2.0 X 1013

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6.3 X 1014

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2.0 X 1016

4

6.3 X 1017

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2.0 X 1019

6

6.3 X 1020

7

2.0 X 1022

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6.3 X 1023

Quadro 1 (retirado de w3.ualg.pt...Sismos...Sismologia5207_Magnitude.html) Cada aumento de uma unidade na escala de magnitudes representa cerca de 31 vezes mais energia libertada. Assim, um sismo com magnitude 6 provoca, no sismógrafo, uma amplitude máxima 10 vezes maior do que um sismo com magnitude 5; no entanto, liberta cerca de 30 vezes mais energia. Estima-se que 800 tremores de magnitudes 5-6 ocorrem anualmente no mundo. Cerca de 50.000 tremores de magnitudes 3-4 ocorrem a cada ano, e apenas cerca de uma magnitude de 8-9 a cada ano. A escala de Richter não permite avaliar a intensidade sísmica de um sismo num local determinado e em particular em zonas urbanas. Para tal, utilizam-se escalas de intensidade tais como a referida escala de Mercalli. A Escala Richter é projectada para permitir fácil comparação de magnitudes do terramoto, independentemente da localização.

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Artigo Científico – Sismologia O cálculo da magnitude depende de dois parâmetros: 1- O deslocamento máximo indicado no sismógrafo Wood-Anderson; 2- A distância entre o foco para o sismógrafo. A fórmula utilizada é ML = logA - logA0, onde: A = amplitude máxima medida no sismógrafo; A0 = uma amplitude de referência.

6. Prevenção dos sismos Os efeitos dos sismos afectam e perturbam sempre o ambiente humano. Os sismos catastróficos afectam e perturbam também o ambiente natural. Neste caso, incluem-se desmoronamentos de terrenos, desvios de cursos de água, deslocamentos ao longo das falhas, ruptura de ecossistemas. No primeiro caso, podemos considerar estragos e destruição de habitações, incêndios, explosões, degradação de património arquitectónico, estragos de linhas de comunicação, de abastecimento de energia e de água, diminuição da segurança de barragens, cheias devido ao rebentamento destas, e sobretudo, perda de vidas humanas. Para minorar os efeitos dos sismos, procura-se actualmente conseguir um método de previsão do momento exacto da ocorrência do fenómeno. Todavia, ainda estamos muito longe de atingir este objectivo. No entanto, a prevenção é importante para minorar as consequências. O cumprimento rigoroso das normas de construção de edifícios, de forma a suportarem vibrações sísmicas, e o cumprimento das medidas de prevenção e actuação, poderão diminuir os efeitos desses acidentes. A prevenção dos sismos abarca duas formas distintas: -

A previsão dos sismos, o alerta e a preparação para situações de emergência;

- A elaboração de um plano nacional anti-sísmico, localização de novos estabelecimentos residenciais, comerciais e industriais em zonas de menor risco sísmico, melhoria da concepção e dos regulamentos de construção de barragens ou auto-estradas nas zonas de maior risco sísmico e a recuperação de obras construídas. A previsão do momento de ocorrência e da magnitude dos sismos, através da análise de processos geofísicos e biológicos, poderia levar a uma redução apreciável dos seus efeitos, mediante a evacuação das populações e a prestação de auxílio no momento e local certos. O processo directo de previsão, baseado na observação de esforços e deformações ao longo de uma falha activa até se dar a ruptura, é muito lento na obtenção de resultados de confiança. Recorre-se por isso a métodos indirectos, como investigação das deformações da crosta terrestre por meio de medições geodésicas repetidas ou por medição das variações da inclinação do solo com inclinómetros. Têm também sido utilizados métodos estatísticos, em regiões de história sísmica bem conhecida. 13


Artigo Científico – Sismologia As observações e estudos de sismologia interessam à ocorrência dos sismos, ao conhecimento da constituição do interior da Terra, e como técnica a utilizar em trabalhos de geofísica aplicada, tais como: estudos geológicos, prospecção de petróleo e estudos de fundações e de características anti-sísmicas de edifícios e de obras de engenharia.

7. Referências bibliográficas 1 - Antunes, C., Bispo, M., Guindeira, P.(2003). Descobrir a Terra, Ciências Naturais. Área Editores.

2 - Conceitos básicos de sismologia. Obtido em 30/06/2010, de http://domingos.home.sapo.pt/estruterra_2.html

3 - Escala de Mercalli. Obtido em 7/06/2010, de http://pt.wikipedia.orgwikiEscala_de_Mercalli

4 - Escala de Richter. Obtido em 7/06/2010, de http://pt.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Richter

5 - Escalas sísmicas. Obtido em 18/06/2010, de http://library.thinkquest.org/16132/html/quakeinfo/intensity.html

6 - Intensidade sísmica. Obtido em 11/06/2010, de http://www.scribd.com/doc/7664616/i10intensidade-sismica-zonas-de-intensidade-maxima-escala-internacional

7 - Magnitude de Richter. Obtido em 30/06/2010, de http://www.vibrationdata.com/earthquakes/magnitude.html

8 - Ondas sísmicas. Obtido em 22/06/2010, de w3.ualg.pt/~jdias/.../5203_OndasSismicas.html

9 - Origem dos sismos. Obtido em 27/06/2010, de http://www.gforum.tv/board/geografia-fisica1428.html

10- Prevenção de sismos. Obtido em 27/06/2010, http://www2.apambiente.pt/website/estatico/pdf/I_10.pdf

11 - Richter e Mercalli Scales. Obtido em 18/06/2010, de http://www.geographysite.co.ukpagesphysicalearthricht.html 14


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12 - Sismos – Magnitude sísmica. Obtido em 22/06/2010, de w3.ualg.pt...Sismos...Sismologia5207_Magnitude.html

Instituto Superior de Engenharia do Porto, 13 de Julho de 2010

(Abílio de Bessa Nunes Quintas)

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