DANOS EM ANGRA DO HEROÍSMO PROVOCADOS PELO SISMO DE 1980. CORRELAÇÃO COM AS FREQUÊNCIAS DO SOLO E

EDIFÍCIOS

Paula TEVES-COSTA Professor Auxiliar Faculdade de Ciências Universidade de Lisboa CGUL Lisboa

C. Sousa OLIVEIRA Professor Catedrático IST Lisboa

M. Luisa SENOS Delegada Regional do IM nos Açores Instituto de Meteorologia Ponta Delgada

SUMÁRIO O sismo de 1 de Janeiro de 1980 produziu danos severos na cidade de Angra do Heroísmo com uma distribuição espacial não homogénea. Com o objectivo de se compreenderem as diferenças observadas, realizou-se uma campanha de ruído ambiental cujos resultados mostram bastante coerência com a geologia superficial, apresentando também uma correlação importante com os danos observados e a topografia da cidade. Atendendo a que a distribuição de danos não depende apenas do movimento do solo mas também da vulnerabilidade do edificado, analisaram-se igualmente alguns parâmetros do edificado (idade e número de pisos). Dispondo de todos estes elementos, edifício a edifício (num total de 2111), foi possível estabelecer correlações que nos permitiram identificar alguns indicadores que poderão vir a ser utilizados para melhorar a estimativa de danos em eventos futuros. 1. INTRODUÇÃO O Arquipélago dos Açores apresenta uma sismicidade elevada, com crises sísmicas prolongadas e actividade vulcânica significativa, devido à sua localização geográfica junto do ponto triplo associado à junção das placas Euro-Asiática, Africana e Norte Americana. Desde a descoberta das ilhas no século XV, que há relatos de sismos destruidores e de erupções vulcânicas nos grupos oriental e central. Os terramotos mais importantes ocorreram em 22 de Outubro de 1522,

466 SÍSMICA 2004 - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica na ilha de S. Miguel, o qual causou cerca de 5 000 mortos e destruiu Vila Franca do Campo, então capital da ilha e, em 9 de Julho de 1757, sentido em todo o grupo central, considerado o evento mais energético ocorrido no arquipélago e que vitimou mortalmente mais de um quinto da população da ilha de S. Jorge. A ilha Terceira foi cenário ao longo dos séculos de diversos sismos destruidores, o último dos quais ocorreu a 1 de Janeiro de 1980. O sismo provocou grandes danos nas ilhas de S. Jorge, Graciosa e Terceira, onde a capital da ilha, Angra do Heroísmo, ficou bastante destruída, além de ter causado dezenas de mortes, centenas de feridos e milhares de desalojados. Este sismo ocorreu às 16:42:39 e o seu epicentro localizou-se a cerca de 50 km a ocidente de Angra do Heroísmo (38,75° N; 27,75° W [ISC]). A sua magnitude foi de 6,9 Mw [NEIC] e a profundidade do foco foi de cerca de 10 km. Neste terramoto, mais de 3 000 edifícios ficaram destruídos total ou parcialmente, grande parte dos quais na ilha Terceira, em particular na cidade de Angra do Heroísmo. A distribuição espacial dos danos observados em Angra do Heroísmo não foi homogénea (figura 1) [1]. Este facto pode ser devido ou (1) a diferenças de comportamento nos diversos tipos de edificado existente na cidade, ou (2) a diferenças na amplitude do movimento do solo provocados por comportamento sísmico diverso das camadas mais superficiais do solo. A primeira razão, só por si, não justifica a distribuição de danos observada, pelo que as diferenças deverão ser uma consequência de “efeitos de sítio” causados pela geologia superficial e pela topografia.

Figura 1: Mapa de distribuição de danos na Zona Classificada de Angra do Heroísmo (de [1]). Do ponto de vista geológico a cidade assenta essencialmente em dois tipos de formações: (i) formações rijas que afloram no norte e noroeste da cidade, compostas por traquitos e traqui-andesitos; e (ii) formações superficiais existentes na parte sul e sudeste, compostas por materiais piroclásticos de projecção, com bancadas de cerca de 20 m, ou mais, de espessura resultantes de várias erupções vulcânicas, que assentam, por sua vez, na formação mais rígida de traquitos referida atrás. Estas duas formações podem apresentar propriedades geotécnicas diferentes e, consequentemente, comportamento sísmico diverso. Por outro lado, a cidade apresenta uma topografia acentuada, com uma parte baixa no centro da cidade, junto ao mar, ladeada por colinas a norte, leste e oeste.

Paula TEVES-COSTA, C. Sousa OLIVEIRA, M. Luisa SENOS 467 Com o objectivo de se compreenderem as diferenças de comportamento observadas, realizou-se uma campanha de ruído ambiental nesta cidade, que envolveu medidas a nível do solo em muitos locais e em pontos altos de alguns edifícios. Os resultados mostram bastante coerência com a geologia superficial, apresentando também uma correlação importante com os danos observados e a topografia da cidade. Aproveitando os levantamentos do edificado efectuados em 1980 e 2000 [2,3] e, utilizando uma fórmula empírica obtida por Oliveira [4], estimou-se a frequência própria dos edifícios tendo em conta o número de andares e a idade da construção. A partir de todos os elementos disponíveis foi possível estabelecer diversas correlações que permitiram identificar alguns indicadores que poderão ser utilizados para melhorar a estimativa de danos em eventos futuros. 2. CAMPANHA DE RUÍDO AMBIENTAL A campanha experimental já foi apresentada e descrita em Teves-Costa e Senos [5]. Insere-se aqui um pequeno resumo, para uma melhor compreensão do significado dos resultados obtidos. A campanha experimental consistiu na aquisição de registos de vibrações ambientais em vários pontos da cidade, distribuídos ao longo das ruas que sofreram maior danos (ver figura 1), com um espaçamento aproximado de 50 metros. Os dados foram recolhidos por 4 estações sísmicas equipadas com sismómetros Lennartz de 3 componentes, com uma frequência própria de 1 Hz. A duração de cada registo foi de 10 minutos. Obtiveram-se medidas em 230 pontos. O tratamento dos dados efectuou-se de acordo com a metodologia proposta por Nakamura [6,7], determinando-se a razão espectral H/V, isto é, a razão entre a composição dos espectros das componentes horizontais (H) sobre o espectro da componente vertical (V). O processamento dos dados foi efectuado recorrendo ao software J-SESAME [8], que permite um tratamento rápido de toda a informação, disponibilizando diferentes filtragens, alisamentos, selecção de janelas, etc. Ao longo de todo o registo, seleccionaram-se janelas de 20 segundos, com sobreposição de 2 segundos, de acordo com um algoritmo que selecciona as janelas mais calmas. Calcula-se a razão espectral H/V para cada janela, e calcula-se depois a média e o desvio padrão de todas as H/V determinadas no mesmo registo. Seguidamente seleccionaram-se, automaticamente, os picos de frequência e respectivas amplitudes. De acordo com Nakamura [6,7], estes picos de frequência correspondem à frequência própria das camadas superficiais, pelo que é de esperar uma boa correlação entre a geologia superficial e a frequência destes picos. Na figura 2 apresentam-se os mapas síntese dos resultados obtidos: (A) frequências de pico seleccionadas entre 0,5 Hz e 12 Hz e, (B) amplitudes respectivas. Na figura 3 apresenta-se uma distribuição da geologia superficial, para comparação. Pela análise visual das figuras 1, 2 e 3 pode detectar-se desde já a existência de uma correlação entre a frequência de pico e a geologia superficial, por um lado, e entre a frequência de pico a distribuição de danos, por outro lado. Além disso pode observar-se que na parte sul da cidade, os danos foram mais graves nas zonas onde as amplitudes das frequências de pico são mais elevadas (para um mesmo valor da frequência). Estas correlações serão salientadas mais à frente, na discussão dos resultados.

468 SÍSMICA 2004 - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica

479800 480000 480200 480400 480600 480800 481000 481200 481400 4816004278200

4278400

4278600

4278800

4279000

4279200

(A)

(B)

Figura 2: (A) Frequências de pico obtidas pela análise dos registos de ruído sísmico no intervalo de 0,5 a 12 Hz. As bolas indicam os pontos onde foram efectuadas as medidas; a sua área é

proporcional à amplitude do pico. (B) Amplitudes dos picos de frequência (variam entre 1 e 8); o tamanho de cada símbolo é proporcional ao valor da frequência de pico.

Figura 3: Mapa de distribuição da geologia superficial mostrando a formação geológica em que

assenta cada edifício.

479800 480000 480200 480400 480600 480800 481000 481200 481400 4816004278200

4278400

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4278800

4279000

4279200

Paula TEVES-COSTA, C. Sousa OLIVEIRA, M. Luisa SENOS 469 3. CARACTERIZAÇÃO DO EDIFICADO Os edifícios da Zona Classificada de Angra do Heroísmo à época do sismo de 1980 podem classificar-se essencialmente em duas grandes categorias principais: (i) Os edifícios de parede de alvenaria de pedra mais ou menos aparelhada com 2 a 4 pisos, divisórias de tabiques de madeira ou paredes de blocos de cimento, pavimentos com pranchas apoiadas em vigas de madeira, cobertura com asnas em madeira e escadas em pedra até ao primeiro andar e mais para cima em madeira. Estes edifícios, que a nível do r/c apresentam em geral espaços mais amplos, apresentam arcos de pedra de boa qualidade dispostos paralelamente às fachadas, servindo de apoio às traves de madeira do primeiro andar. Representam uma época desde o séc. XVII até aos anos 1950-60. (ii) Edifícios de porte idêntico aos anteriores, com travamentos dados por peças de betão armado ligeiro, i.e. montantes localizados nos cunhais e nos cruzamentos das paredes interiores com as fachadas e lajes de betão armado. É uma construção que foi evoluindo desde os anos 1940, mas que, para efeitos práticos se pode considerar a partir de 1950-60. Os edifícios sofreram bastantes danos estruturais durante o sismo de 1 de Janeiro de 1980, que de acordo com estudos parcelares sobre o comportamento de estruturas simples, deverá ter atingido acelerações máximas entre os 150 e os 250 cm/s2. Os danos foram classificados em quatro classes: (1) sem danos ou ligeiros, (2) moderados, (3) severos e (4) colapso, tendo um levantamento à época produzido os resultados da Figura 1 (danos de grau zero, nesta figura, indicam edifícios que não existiam na altura do sismo, ou onde os danos não foram avaliados). Os maiores danos ocorreram nas duas zonas de maior cota na cidade na parte sul, onde se observam quarteirões inteiros com graves danos. Noutros quarteirões os danos são mais espaçados, com edifícios dos gavetos ou nas zonas centrais exibindo maiores problemas. Com base em medições de ruído ambiente realizadas em alguns edifícios, tanto em Angra do Heroísmo como noutros locais do Continente com tipologias similares, foi possível estabelecer uma lei de períodos de vibração (T) correspondente aos modos mais baixos, do tipo T=aN, em que T vem expresso em segundo, a é um parâmetro dado por acerto usando a técnica de mínimos quadrados (Quadro 1) e N é o número de massas oscilantes, em geral, o número de andares [4].

Quadro 1: Valor do parâmetro a de acerto da lei dos períodos de vibração de edifícios

Tipologia Linear Não-linear Anterior a 1950-60 0,06 0,09 Entre 1960-1980 0,05 0,08

Considera-se linear o valor retirado directamente dos ensaios de ruído, enquanto que o não-linear reflecte já algum comportamento para maiores amplitudes do movimento. 4. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CORRELAÇÕES Com base num sistema SIG foi possível montar todo o conjunto de layers para classificação dos edifícios um a um, por alturas, épocas de construção, tipo de danos ocorridos, bem como também de frequência dos solos de implantação e maiores amplificações destas frequências. Os resultados das correlações efectuadas aos 2111 edifícios são os seguintes:

470 SÍSMICA 2004 - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Nos edifícios anteriores a 1950-60 os danos espalharam-se de forma praticamente uniforme por todas as classes, enquanto que para os edifícios posteriores a 1960 os danos concentram-se sobretudo nos danos ligeiros (figura 4). Relativamente à influência do número de pisos nos danos, verifica-se que os de 1 piso apresentam maior percentagem de danos ligeiros; nos de 2 pisos, aliás os mais frequentes, e 3 pisos a distribuição é praticamente uniforme, embora neste último caso os colapsos fossem importantes. As frequências predominantes para os edifícios são muito elevadas, 4 a 10 Hz. Os danos aparecem mais ou menos uniformemente distribuídos por todas as classes até frequências de 5 Hz; a partir daí acentua-se a classe dos danos ligeiros (figura 5).

Figura 4: Distribuição dos danos nos edifícios anteriores a 1960 (à esquerda) e nos edifícios construídos entre 1960 e 1980 (à direita).

Figura 5: Distribuição dos danos para edifícios com diferentes frequências dominantes de vibração.

Relativamente aos materiais geotécnicos, verifica-se mais uniformidade entre classes de danos para os materiais de projecção piroclásticos do que para os traquitos e traqui-andesitos onde predominam os danos ligeiros (figura 6). A influência da frequência de pico do solo é muito marcante, apresentando grande percentagem de colapsos para frequências abaixo de 1 Hz, tornando-se mais uniforme pelas diferentes classes para frequências entre 1 e 1,5 Hz, invertendo depois para maior incidência de danos ligeiros para frequências acima de 4 Hz (figura 7).

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F < 4,0 Hz

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4

Classe de danos

Nº E

difíc

ios

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4 < F < 7,0 Hz

0

100

200

300

400

500

1 2 3 4

Classe de danos

Nº E

difíc

ios

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F > 7,0 Hz

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4

Classe de danos

Nº E

difíc

ios

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Edificios anteriores a 1960

0

200

400

600

1 2 3 4

Classe de danos

Num

ero

de e

difíc

ios ���������

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Edificios entre 1960 e 1980

0

100

200

300

1 2 3 4

Classe de danos

Num

ero

de e

difíc

ios

Paula TEVES-COSTA, C. Sousa OLIVEIRA, M. Luisa SENOS 471

Figura 6: Distribuição dos danos nos edifícios assentes sobre materiais piroclásticos (à esquerda) e nos edifícios assentes sobre rochas vulcânicas (à direita).

Figura 7: Distribuição dos danos nos edifícios assentes sobre solos com diferentes frequências dominantes (frequências de pico).

5. CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO O diferente comportamento sísmico das formações geológicas que cobrem a cidade de Angra do Heroísmo foi observado através da identificação da frequência de pico obtida pela análise de vibrações ambientais medidas em vários pontos da cidade. A formação constituída por depósitos piroclásticos apresenta uma frequência de pico entre 1 Hz e 2 Hz, enquanto que a formação rochosa apresenta frequências de pico entre 3 Hz e 7 Hz. Por outro lado, as amplitudes destes picos parecem poder-se correlacionar com a distribuição relativa dos danos observados durante o sismo de 1 de Janeiro de 1980. As correlações encontradas entre os diferentes parâmetros que caracterizam o edificado (idade, número de pisos e frequência própria) e os danos observados, parecem ilustrar, de um modo muito claro, a influência destes parâmetros no comportamento sísmico dos edifícios. Como trabalho futuro, deverá aprofundar-se a análise agora efectuada com a inclusão do declive da rua onde cada edifício se encontra, a ligação aos edifícios adjacentes, a orientação das fachadas com mais danos, bem como a própria espessura das camadas e uma descrição mais circunstanciada dos solos constituintes. Pensa introduzir-se também uma classificação de danos específica para os

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Materiais piroclásticos

0

100

200

300

400

500

1 2 3 4

Classe de danos

Nº d

e ed

ifíci

os

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Rochas vulcânicasTraquitos e traqui-andesitos

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4Classe de danos

Nº d

e ed

ifíci

os

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1,0 < Frequência <= 1,5 Hz

0

50

100

150

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1 2 3 4

Classe de danos

Nº d

e ed

ifíci

os

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3,0 < Frequência <= 4,0 Hz

0

20

40

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120

1 2 3 4

Classe de danos

Nº d

e ed

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os

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Frequência <= 1,0 Hz

0

50

100

150

200

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1 2 3 4

Classe de danos

Nº d

e ed

ifíci

os

472 SÍSMICA 2004 - 6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica edifícios patrimoniais nomeadamente, igrejas, conventos e “impérios” (pequenas “ermidas”), e nas escolas, assim como uma estimativa da frequência própria destas estruturas particulares. 6. AGRADECIMENTOS Agradece-se a colaboração dos técnicos do IM, dos alunos da FCUL e do IST que colaboraram nos trabalhos de campo. Um agradecimento especial ao Eng. Correia Guedes pela disponibilização de elementos sobre o sub-extracto geológico e sobre alguns edifícios de Angra do Heroísmo. Este trabalho foi parcialmente subsidiado pela Comunidade Europeia, projecto SESAME: EVG1-CT-2000-00026. 7. REFERÊNCIAS [1] Lucas, A., C.S. Oliveira e J.H.C. Guedes - “Quantificação dos danos observados no parque

habitacional e do processo de reconstrução”. In: Oliveira, C.S., Lucas, A.R.A. and Guedes, J.H.C. (Ed.): Monografia 10 Anos Após o sismo dos Açores de 1 de Janeiro de 1980, SRHOP, LNEC, 1992, p. 667-742.

[2] Lucas, A., J.H.C. Guedes e C.S. Oliveira - “Contribuição para a historiografia do sismo dos Açores de 1 de Janeiro de 1980. Espólio do GAR e documentação sobre a reconstrução”. In: Oliveira, C.S., Lucas, A.R.A. and Guedes, J.H.C. (Ed.): Monografia 10 Anos Após o sismo dos Açores de 1 de Janeiro de 1980, SRHOP, LNEC, 1992, p. 263-274.

[3] Caiado, G., Pais, G. - “Análise de Alguns dados apresentados nos Relatórios do GAR e de dados da SRHOP sobre a Reconstrução”. Projecto PPERCAS

[4] Oliveira, C. S. “Actualização das bases de dados sobre Frequências Próprias de Estruturas a partir de Medições Expeditas in-situ. Parte 1 – Edifícios”, Sísmica 2004, Guimarães, 2004.

[5] Teves-Costa, P. e M.L. Senos - “Zonagem sísmica de Angra do Heroísmo por meio da análise de vibrações ambientais”, 4ª Assembleia Luso-Espanhola de Geodesia e Geofísica, Figueira da Foz, 3-7 Fevereiro 2004.

[6] Nakamura, Y. - " A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface”, RTRI, 30-1, 1989, p. 25-33.

[7] Nakamura,Y. - “Clear identification of fundamental idea of Nakamura's technique and its applications”, 12th World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, 2000.

[8] Sesame, WP03 Team - “Multiplatform H/V processing software J-SESAME”. Deliverable D09.03, June 2003.