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Aplicação de métodos sísmicos em meio urbano para caracterização geológica-geotécnica

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Aplicação de métodos sísmicos em meio urbano para 
caracterização geológica-geotécnica 
 
Ana Letícia Gomes Abreu 
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil 
Mestrado Integrado em Engenharia Civil 
 
Orientadores 
Prof. Rui Pedro Carrilho Gomes 
Profª Isabel Maria Figueiredo Lopes 
 
Júri 
Presidente: Prof. Luís Manuel Coelho Guerreiro 
Orientador: Prof. Rui Pedro Carrilho Gomes 
Vogal: Prof. Jaime Alberto dos Santos 
 
Junho de 2015 
Agradecimentos 
 
Um agradecimento especial ao meu orientador, Prof. Doutor Rui Carrilho Gomes, pelos 
ensinamentos, apoio, disponibilidade, amizade e compreensão ao longo de todo o trabalho. À 
Doutora Isabel Lopes, igualmente pelo seu apoio, interesse e orientação prestados. 
À Engenheira Fátima Gouveia, pela amizade, compreensão, colaboração e motivação infindáveis. 
Aos meus amigos e colegas da Universidade que sempre acreditaram em mim e com os quais 
aprendi e cresci muito. Um especial e sentido agradecimento aos meus queridos amigos João 
Figueira e Yolanda Tati que sempre estiverem presentes desde o início desta longa jornada. 
Aos meus pais pelo amor, carinho, paciência, dedicação, compreensão e apoio demonstrados até 
hoje. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resumo 
A rigidez dos solos é um parâmetro importante para avaliar os efeitos de sítio sísmicos e o 
estado limite de utilização de estruturas geotécnicas, por exemplo, fundações e estruturas de 
contenção. 
Este estudo tem como principal objetivo avaliar a aplicabilidade do método H/V em meio 
urbano na caracterização geológica-geotécnica de um dado solo. Para tal, recorre-se à ferramenta 
numérica SAP2000, baseada no Método dos Elementos Finitos, de forma a determinar a razão 
espectral H/V para diferentes configurações de ação. Nesta análise, faz-se variar as dimensões do 
modelo de solo bidimensional, a direção e profundidade da ação, bem como as propriedades 
elásticas do terreno, considerando a existência de estratificação. 
Inicialmente, descrevem-se alguns métodos de prospeção sísmicos e os principais tipos de 
ondas sísmicas: ondas volúmicas e ondas superficiais. Em seguida, introduz-se o método de 
Nakamura, também designado por método H/V, baseado na razão espectral entre a componente 
horizontal e vertical do ruído sísmico ambiente registado à superfície. 
Posteriormente, descrição e análise de modelos unidimensionais de solo, construídos no 
programa de elementos finitos e respetiva validação tendo por base o modelo de propagação 
unidimensional das ondas S e das ondas P numa camada de solo uniforme sobre substrato rochoso. 
Assim, determinam-se as soluções analíticas elásticas lineares no sentido de estimar o 
comportamento do solo à superfície quando solicitado por dois tipos de ação distintos: ação sísmica 
aplicada na base do modelo e ação pontual aplicada à superfície. Em seguida, analisam-se modelos 
bidimensionais de solo, aplicando o método H/V. 
É efetuado um enquadramento geológico-geotécnico do caso de estudo, baseando-se na 
informação disponível em ensaios SPT realizados no local. O substrato geológico do local de estudo 
e área envolvente é composto por terrenos miocénicos, Argilas dos Prazeres (MPr), recoberto por 
materiais modernos de origem antrópica, denominados como Depósito de Aterros (At). Apresenta-se 
a análise da campanha de registos de vibrações ambiente à superfície do terreno, os quais foram 
processados aplicando o método da razão espectral H/V, e à modelação da resposta sísmica do solo. 
Os resultados numéricos obtidos apresentam frequências fundamentais semelhantes aos valores de 
frequência experimentais. A razão espectral H/V está intimamente relacionada com a composição do 
campo das ondas sísmicas responsável pela vibração ambiente, que por sua vez depende das fontes 
de vibração e da estrutura geológica do terreno. 
 
 
Abstract 
The soil stiffness is an important parameter to evaluate the seismic site effects and the 
Serviceability Limit State of geotechnical structures, for example, foundations and retaining structures. 
This study’s main objective is to evaluate the application of the H/V Method in urban areas for 
geological and geotechnical characterization of a given soil. For that, the numerical tool SAP2000, 
based on the Finite Element Method, was used, in order to determine the H/V spectral ratio during 
application of a given action. This was done by varying the dimensions of the two dimensional ground 
model, the direction and depth of action, the elastic properties of the ground as well as taking into 
account the existence of stratification. 
Initially seismic prospection methods are described along with the main types of seismic 
waves: volumetric waves and surface waves. Then, the Nakamura method or H/V method is 
introduced, based on the spectral ratio between the horizontal and vertical component of the seismic 
ambient noise recorded at the surface. 
Subsequently, the one dimensional ground model is analysed and validated, built in the finite 
element program and based on the one dimensional propagation model of the S waves and P waves 
in a uniform soil column on bedrock. Thus, the linear elastic analytical solutions are determined in 
order to estimate the behaviour of the soil surface when acted upon by two different types of action: 
seismic action applied at the base of the model and specific action applied to the surface. Then, two 
dimensional models were analysed, applying the H/V method. 
A geological and geotechnical setting of the study area is performed, based on the information 
available in SPT tests performed on site. The geological substratum of the study site and surrounding 
area consists of Miocene deposits, Argila dos Prazeres (MPr), covered by modern materials of 
anthropogenic origin, named Aterros (At). Finally, the analysis of ambient vibration records collection 
at the ground surface is presented, which were processed applying the H/V spectral ratio method. The 
numerical results have fundamental frequencies similar to values of frequency obtained at the ambient 
noise records. The H/V spectral ratio is closely related to the composition of the seismic wave field 
responsible for environmental vibration, which depends on the vibrations sources and the geological 
structure. 
 
 
 
 
http://www.linguee.pt/ingles-portugues/traducao/geophysical+prospection.html
Palavras-chave 
 
Características geológicas-geotécnicas 
Método da Razão Espectral H/V 
Método dos Elementos Finitos 
Métodos Sísmicos 
Propagação de ondas 
Rigidez na gama das pequenas deformações 
 
Keywords 
 
Geological and geotechnical characteristics 
H/V Spectral Ratio Technique 
Finite Elements Method 
Seismic Testing 
Wave propagation 
Small-strain stiffness 
 
 
 
 
 
 
 
Índice 
 
1. Introdução ........................................................................................................................................ 1 
1.1. Motivação ................................................................................................................................ 1 
1.2. Objetivos .................................................................................................................................. 1 
1.3. Organização da dissertação .................................................................................................... 2 
2. Propagação de ondas sísmicas ...................................................................................................... 3 
2.1. Ondas sísmicas ....................................................................................................................... 3 
2.2. Comportamento cíclico dos solos ........................................................................................... 5 
2.3. Modelos constitutivos ..............................................................................................................